原创 DGPS基本理论

1. DGPS基本理论
    在导航应用上, 由于载具不断的变动，使得利用载波相位观测方式定位甚困难，而需采用码虚拟距离定位。然而在P码受限制使用，且C/A码精度不高的情况下(尤其在SA开启后)，对要求较高精度的导航系统而言，便需要一套系统能对利用C/A码定位的精度有显著的改善。
    DGPS (Differential GPS)是针对改善GPS利用码定位的精度而发展出来的系统。其原理系采用相对定位的原理。对两不同测点利用差分方式消去大部分共同误差而获取较高的精度。

2. DGPS 定位原理
      DGPS是利用差分方式可消除大部分误差项，已得到较高精度的特性而发展的。此系统系利用已知位置坐标的GPS测点作为参考点，由参考点接收卫星资料并计算卫星位置与参考点间的距离，计算距离与参考点所测得的虚拟距离间的差值(称为虚拟距离差);或是直接计算出参考点，利用测得的虚拟距离所得的位置坐标与参考点的实际位置坐标间的分量差视为修正值。并且藉由数据传送的方式传送至未知测点上的接收机进行修正，已提高未知测点的定位精度。DGPS主要定位原理是 差分法，包括以下两种。
(1) 虚拟距离修正值法
假设测量点 1的虚拟距离观测方程式为
P1=r1+c(dt1-dT)+drtrop1+drion1
测量点2的虚拟距离观测方程式为
P2=r2+c(dt2-dT)+drtrop2+drion2
由测量点1的距离误差
Dr=P1-r1=c(dt1-dT)+drtrop1+drion1
推得
P2-Dr= r2+c(dt2-dT)+drtrop2+drion2-c(dt1-dT)-drtrop1-drion1
当两测量点相距不远（约50公里以内）时，两站所接收的卫星讯号通过的大气路径相似，其大气层延迟量非常相近即
drtrop1@drtrop2drion1@drion2
则
r2c=P2-Dr=r2+c(dt2-dt1)-------- r2c:
经测量点1校正后的测量点2距离观测量经此校正后,测量点2虚拟距离观测量中的大部份误差，如：电离层延迟量、对流层延迟量、卫星时表偏差量均可以消除。
(2) 速度修正法
当GPS接收机的输出包括3-D速度部份时，可以直接以3-D速度为观测量，求解轻航机阻力参数。但是由单一接收机直接输出而获得的速度，也会受到误差的影响。因此，在与移动站距离不远的固定站(不必知其精确点位坐标)，同时与移动站相同的接收机接收卫星信号，因固定站不动，而其输出的速度即反应当时的误差，因而可将固定站接收机所得的速度作为移动站的修正值，即将移动站的速度减去固定站的速度，如此，可以消去大部分低频误差的影响，获得更精确的移动站速度，值得注意的是：求解卫星数目不同或噪声干扰太大，则以此方法所得到的结果将会有所偏差。

3. DGPS系统设备
     DGPS系统能顺利运作，完整的DGPS系统需具有下列各主要设备以便使用者能收到正确可利用的虚拟距离修正值而获得高精确度的定位。分述如下:
　
(1) 参考站(Reference Station)
即在DGPS系统可涵盖的范围内，由参考站发出虚拟距离修正值给使用者。其主要设备为一部具有额外计算能力的高质量GPS接收机，它可完整而正确地计算出GPS卫星与参考玷宵际位置间的虚拟距离修正，由无线电广播设备将修正值以RTCM所要求的信文格式传播给远方的使用者。并且当所计算得虚凝距离修正值超出可接受范围而由监测量点传回的警告信息时，实时而完整地将此信息再广播给使用者知道，以通知使用者所得修正位置的精确度不足。
　
(2) 广播发报器(Broadcast Transmitter)
其主要的组成都分为经变更后可接受MSK方式调变的海上无线电标杆，将实时的DGPS修正资料以RTCM SC-l04 Version2.1版格式加载，然 后再广播给所有具接收此讯号能力的使用者。以美国海岸防卫队为例，目前其采用285KHz~325KHz的波段并且不打算将使用的资料加入密码以公开提供给为需要的大众使用。由于 无线电标杆具有以下各项优点，故乃选择无线电标杆为广播发报器:
a.已有的发射设备与发射位置:不需再重新架设发射设备与寻觅发射点位，较具终济性。
b.适合DGPS修正讯号所欲使用的范围。
c.适合国际无线电公约的限制，较易被全球使用者所接受。
d.经过测试后其成功率得到高度可行性的认定。
(3) 全面性监测量点(Integrity Monitor)
其组成部分包括了MSK接收机、DGPS接收机与计算机，经由计算机的辅助可检查、比较DGPS修正值所定出的位置与实际监测量点的位置间的误差是否在可容忍的范围内。监测量点将以实时的方式与参考站联机，将参考站所广播出的信息状况忠实地藉由监测量点接收后回报给参考站。
(4) 控制站(Control Station)
于控制站内可提供24小时人员服务，藉由网络的联机可直接控制DGPS参考站与监测量点，当发生紧急事件时，控制站可全盘性掌控所有的状况。DGPS站运作过程的数字数据文件均存放于此。
(5) 传输网络(Communication Network)
连结参考站与控制站，以利彼上间资料的传输。
DGPS使用者设备(DGPS User Equipment)
为一部具有二种不同接收机接口的显示器，其二种不同接口一为具有解调变MSK功能的无线电接收机，一为具有能应用差分修正功能的GPS接收机。

4. DGPS运作的四种模式
　
(1) 单基站差分GPS (SRDGPS)
是以一个基站所提供的差分修正值来进行改正的。
(2)区域差分GPS (LADGPS)
由所布置的一个DGPS网中，此网由若干个DGPS基站所组成，通常包括一个或数个监控站，位该区域的用户可以收到多个基站的修正值经由平差计算后进行改正。
(3)广域差分GPS (WADGPS)
各基站并不单独将本站所求得的虚拟距离改正值送给用户，而是将改正值传送至广域DGPS网的数据处理中心统一计算，以利将卫星星历误差、对流层、电离层延迟误差、卫星时表差等各种误差分别求解，然后再将各种误差的改正值传播给用户，由用户分别进行改正。
(4)广域增强系统WAAS (Wide Area Augmentatiotn System)
在广域差分WADGPS中数据通讯是一难题，其困难主是来自两方面：一是改正信号必须具有足够大的覆盖面；二是用户的接收设备十分轻便、价廉。而WAAS就是为了解决上述问题而产生的，WAAS的概念是将数据中心的差分改正信息送往地球同步卫星，而该卫星也是采用L1为载波，在载波上同样也调制了C/A码,并自己的卫星星历和差分改正信息当作导航信息转发给用户。