基于GPS25LP和GPSl5L的簡(jiǎn)易偽距差分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

O 引言
    GPS系統(tǒng)的精密定位服務(wù)(PPS)不對(duì)外開(kāi)放，普通用戶(hù)只能使用C／A碼的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)，雖然美國(guó)政府已經(jīng)取消實(shí)施選擇可用性(SA)政策，采用C／A碼的GPS接收機(jī)定位精度可以達(dá)到25 m(95％置信度，二維水平平面誤差)，但仍然滿(mǎn)足不了某些系統(tǒng)的需要。差分GPS技術(shù)可以提高實(shí)時(shí)定位精度，得到米級(jí)，甚至亞米級(jí)的定位精度。國(guó)際海事無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)(RTCM)于1983年為差分GPS業(yè)務(wù)設(shè)立了SC-104專(zhuān)委會(huì)，以論述用于提供差分GPS業(yè)務(wù)的各種方法，并制定數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。目前各GPS廠(chǎng)家生產(chǎn)的GPS接收機(jī)，除了編制自己的專(zhuān)用格式外，基本上都具有接收符合RTCM SC-104標(biāo)準(zhǔn)格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)接口，且接收機(jī)價(jià)格在GPS競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天已日趨合理。又由于目前能發(fā)送RTCM SC-104電文的差分GPS基準(zhǔn)站都是國(guó)外廠(chǎng)家生產(chǎn)的，價(jià)格昂貴，高達(dá)幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)元，而GPS-OEM(原始設(shè)備制造商)板的價(jià)格便宜，不足千元就能買(mǎi)到，使用起來(lái)也比較靈活，利用GPS-OEM板設(shè)計(jì)的DGPS基準(zhǔn)站同樣可以達(dá)到較高的定位精度，所以具有很大的實(shí)用價(jià)值。

1 偽距差分GPS原理
    偽距差分GPS具有精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前用途最廣的一種差分GPS技術(shù)，RTCM SC-104標(biāo)準(zhǔn)和幾乎所有GPS接收機(jī)的差分定位均采用這種技術(shù)。在偽距差分GPS系統(tǒng)中，基準(zhǔn)GPS接收機(jī)可精確地求出基準(zhǔn)站的地心坐標(biāo)，并收集全部衛(wèi)星的星歷文件，計(jì)算出每一時(shí)刻所有可見(jiàn)，星的地心坐標(biāo)，從而得到各個(gè)衛(wèi)星到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離Rj，同時(shí)基準(zhǔn)GPS接收機(jī)測(cè)量出全部可見(jiàn)衛(wèi)星的偽距為：
   
    式中：△tb為基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘差；為衛(wèi)星星歷誤差和衛(wèi)星鐘差；為電離層延遲；為對(duì)流層延遲；為多徑效應(yīng)延遲；vb為接收機(jī)測(cè)量誤差。測(cè)量出的偽距包含各種誤差，與真距不同，此誤差就是偽距修正數(shù)：

    從式(6)可以看出，修正后的偽距基本消除了衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、電離層延遲和對(duì)流層延遲、移動(dòng)站接收機(jī)利用該修正后的偽距進(jìn)行定位解算，可以得到更精確的定位結(jié)果。
    差分GPS基準(zhǔn)站就是完成所有可視衛(wèi)星差分修正數(shù)和修正數(shù)變化率的解算，并按照RTCM SC-104標(biāo)準(zhǔn)格式廣播給一定范圍內(nèi)的用戶(hù)，使其得到更高的定位精度。[!--empirenews.page--]

2 RTCM SC-104電文及其編譯
    RTCM電文是由若干個(gè)二進(jìn)制的字組成，每30 b字分為5個(gè)6 b的字節(jié)，其中前4個(gè)字節(jié)用來(lái)傳輸差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，第5個(gè)字節(jié)用于奇偶校驗(yàn)，以便用戶(hù)檢驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)是否正確。RTCM電文采用6／8(1～6，1為最低有效位)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，第7位為標(biāo)志位，設(shè)置為1，第8位設(shè)置為空格。這種編碼規(guī)則對(duì)RTCM字節(jié)而言在64～127之間有效，因?yàn)槎M(jìn)制的1000000相當(dāng)于十進(jìn)制的64，二進(jìn)制的1111111相當(dāng)于十進(jìn)制的127，凡大于127和小于64的字節(jié)對(duì)RTCM均無(wú)效。
    RTCM電文可在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)通用異步收發(fā)機(jī)UART間串行傳送，由于UlART為約定的非同步通訊，首先發(fā)送和接收最低有效位，每一個(gè)字節(jié)在發(fā)送前要完成“滾動(dòng)”，這在效果上保持了RTCM電文的邏輯序列，這樣在發(fā)送媒介中最高有效位優(yōu)先。假設(shè)一個(gè)字節(jié)用d1，d2，d3，d4，d5，d6表示，則滾動(dòng)的含義是d1和d6，d2和d5，d3和d4進(jìn)行互換。
    根據(jù)前述內(nèi)容，整個(gè)編碼過(guò)程大致可歸納為：
    (1)獲取電文信息內(nèi)容。包括電文類(lèi)型以及該項(xiàng)電文必須包含的信息內(nèi)容，因?yàn)槊糠N電文的格式由于其傳輸?shù)膬?nèi)容不一樣將導(dǎo)致其具體的格式也不盡相同。
    (2)編譯每個(gè)字的前4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容。編譯每個(gè)字前4個(gè)字節(jié)時(shí)，首先必須清楚這4個(gè)字節(jié)中包含的電文信息內(nèi)容，同時(shí)必須清楚每種信息所占的比特?cái)?shù)和所在的位置，按所在的位置順序進(jìn)行編譯。
    (3)編譯每個(gè)字的第5個(gè)字節(jié)，即奇偶校驗(yàn)碼。前面4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容編譯好之后，按奇偶校驗(yàn)算法編譯第5個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，同時(shí)必須保留這個(gè)字節(jié)的最后兩位數(shù)值，用于后一個(gè)字的編碼。這是RTCM電文編碼中很重要的一部分，能使用戶(hù)對(duì)所接收到的信息進(jìn)行檢驗(yàn)。
    (4)對(duì)前4個(gè)字節(jié)的每一位與前一個(gè)字的最末一位進(jìn)行模二和。模二和是二進(jìn)制中的一種加法，但不采取進(jìn)位。
    (5)完成對(duì)每個(gè)字節(jié)的滾動(dòng)。在完成對(duì)各個(gè)字節(jié)的滾動(dòng)后，電文就可以通過(guò)電臺(tái)發(fā)送給流動(dòng)用戶(hù)。
    上文所講的是對(duì)RTCM電文一個(gè)字的編碼步驟，對(duì)RTCM的某一種電文而言，首先是編譯電文頭，然后編譯電文的主體部分。圖1是整個(gè)編碼程序流程圖。

3 基于Garmin GPS-OEM模板的DGPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    美國(guó)Garmin公司生產(chǎn)的型號(hào)為GPS25LP和GPSl5L的GPS接收機(jī)OEM板均是12通道的C／A碼單頻接收機(jī)。GPS25LP有2個(gè)RS 232串行數(shù)據(jù)通信接口，分別提供ASCII碼導(dǎo)航電文輸出和二進(jìn)制的原始測(cè)量數(shù)據(jù)輸出，GPS25LP接收機(jī)在經(jīng)過(guò)正確的設(shè)置后，可以作為基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)使用。GPSl5L接收機(jī)可以通過(guò)串口2接口輸入實(shí)時(shí)差分改正數(shù)據(jù)(RTCM SC-104信息類(lèi)型1，2，3，7，9)，可以作為移動(dòng)站使用。利用兩個(gè)GPS-OEM模板和其他相關(guān)設(shè)備可建立簡(jiǎn)易的差分GPS定位系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    GPS25LP-OEM作為基準(zhǔn)站時(shí)，主要完成星歷數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的接收；基準(zhǔn)站中央處理單元完成差分改正數(shù)的計(jì)算以及RTCM SC-104電文格式的編碼；數(shù)傳鏈路完成差分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)送與接收；移動(dòng)站GPSl5L-OEM完成電文格式的解碼，結(jié)合實(shí)時(shí)接收的GPS測(cè)量數(shù)據(jù)生成高精度的GPS定位信息。[!--empirenews.page--]

4 試驗(yàn)結(jié)果
    在天線(xiàn)靜態(tài)固定位置處(經(jīng)度1：28．232 068°；緯度1：112．991 309°，高度1：78．460 089 m；經(jīng)度2：28．232 075°，緯度2：112．991 282°，高度2：84．728 061 m)用GPS25LP和GPSl5L建立的差分系統(tǒng)和HemisphereHCl2-A差分系統(tǒng)同時(shí)觀(guān)測(cè)近10個(gè)小時(shí)的GGA數(shù)據(jù)。
自建簡(jiǎn)易差分系統(tǒng)的經(jīng)度，緯度，高度與時(shí)間的統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示。

    用北京合眾思?jí)压镜腉GA Parse 5．5解算軟件得出以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖4，圖5所示。

    從統(tǒng)計(jì)圖和軟件解算坐標(biāo)數(shù)據(jù)中可以看到，自建簡(jiǎn)易差分GPS系統(tǒng)的定位精度可以保持在4 m以?xún)?nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)相關(guān)理論分析可知，采用偽距差分定位可以消除衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、軌道參數(shù)誤差、電離層效應(yīng)誤差、對(duì)流層效應(yīng)誤差等公共誤差，剩下的目標(biāo)載體距離測(cè)量誤差主要來(lái)自接收機(jī)本身的通道、噪聲和地面多效應(yīng)以及衛(wèi)星信號(hào)傳播路徑不盡相同而殘存的部分傳播環(huán)境誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分別使用GPS25LP和GPSl5L作為差分基準(zhǔn)站和移動(dòng)站建立的差分測(cè)量系統(tǒng)具有較高的定位精度，能夠?yàn)樵S多精確測(cè)量提供米級(jí)精準(zhǔn)度的定位信息；并且這種DGPS測(cè)量系統(tǒng)性?xún)r(jià)比非常高，具有很高的使用價(jià)值。