基于GPS的简易伪距差分系统设计

o 引言
gps系统的精密定位服务(pps)不对外开放，普通用户只能使用c/a码的标准定位服务(sps)，虽然美国政府已经取消实施选择可用性(sa)政策，采用c/a码的gps接收机定位精度可以达到25 m(95%置信度，二维水平平面误差)，但仍然满足不了某些系统的需要。差分gps技术可以提高实时定位精度，得到米级，甚至亚米级的定位精度。国际海事无线电技术委员会(rtcm)于1983年为差分gps业务设立了sc-104专委会，以论述用于提供差分gps业务的各种方法，并制定数据格式标准。目前各gps厂家生产的gps接收机，除了编制自己的专用格式外，基本上都具有接收符合rtcm sc-104标准格式的差分数据接口，且接收机价格在gps竞争激烈的今天已日趋合理。又由于目前能发送rtcm sc-104电文的差分gps基准站都是国外厂家生产的，价格昂贵，高达几万至十几万元，而gps-oem(原始设备制造商)板的价格便宜，不足千元就能买到，使用起来也比较灵活，利用gps-oem板设计的dgps基准站同样可以达到较高的定位精度，所以具有很大的实用价值。
1 伪距差分gps原理
伪距差分gps具有精度高等诸多优点，是目前用途最广的一种差分gps技术，rtcm sc-104标准和几乎所有gps接收机的差分定位均采用这种技术。在伪距差分gps系统中，基准gps接收机可精确地求出基准站的地心坐标，并收集全部卫星的星历文件，计算出每一时刻所有可见，星的地心坐标，从而得到各个卫星到基准站的真实距离rj，同时基准gps接收机测量出全部可见卫星的伪距为：
式中：△tb为基准站接收机钟差; 为卫星星历误差和卫星钟差; 为电离层延迟; 为对流层延迟; 为多径效应延迟;vb为接收机测量误差。测量出的伪距包含各种误差，与真距不同，此误差就是伪距修正数：从式(6)可以看出，修正后的伪距基本消除了卫星星历误差、卫星钟误差、电离层延迟和对流层延迟、移动站接收机利用该修正后的伪距进行定位解算，可以得到更精确的定位结果。
差分gps基准站就是完成所有可视卫星差分修正数和修正数变化率的解算，并按照rtcm sc-104标准格式广播给一定范围内的用户，使其得到更高的定位精度。
2 rtcm sc-104电文及其编译
rtcm电文是由若干个二进制的字组成，每30 b字分为5个6 b的字节，其中前4个字节用来传输差分数据信息，第5个字节用于奇偶校验，以便用户检验接收到的数据是否正确。rtcm电文采用6/8(1～6，1为最低有效位)进行数据传输，第7位为标志位，设置为1，第8位设置为空格。这种编码规则对rtcm字节而言在64～127之间有效，因为二进制的1000000相当于十进制的64，二进制的1111111相当于十进制的127，凡大于127和小于64的字节对rtcm均无效。
rtcm电文可在标准计算机通用异步收发机uart间串行传送，由于ulart为约定的非同步通讯，首先发送和接收最低有效位，每一个字节在发送前要完成“滚动”，这在效果上保持了rtcm电文的逻辑序列，这样在发送媒介中最高有效位优先。假设一个字节用d1，d2，d3，d4，d5，d6表示，则滚动的含义是d1和d6，d2和d5，d3和d4进行互换。
根据前述内容，整个编码过程大致可归纳为：
(1)获取电文信息内容。包括电文类型以及该项电文必须包含的信息内容，因为每种电文的格式由于其传输的内容不一样将导致其具体的格式也不尽相同。
(2)编译每个字的前4个字节的内容。编译每个字前4个字节时，首先必须清楚这4个字节中包含的电文信息内容，同时必须清楚每种信息所占的比特数和所在的位置，按所在的位置顺序进行编译。
(3)编译每个字的第5个字节，即奇偶校验码。前面4个字节的内容编译好之后，按奇偶校验算法编译第5个字节的内容，同时必须保留这个字节的最后两位数值，用于后一个字的编码。这是rtcm电文编码中很重要的一部分，能使用户对所接收到的信息进行检验。
(4)对前4个字节的每一位与前一个字的最末一位进行模二和。模二和是二进制中的一种加法，但不采取进位。
(5)完成对每个字节的滚动。在完成对各个字节的滚动后，电文就可以通过电台发送给流动用户。
上文所讲的是对rtcm电文一个字的编码步骤，对rtcm的某一种电文而言，首先是编译电文头，然后编译电文的主体部分。图1是整个编码程序流程图。
3 基于garmin gps-oem模板的dgps系统设计
美国garmin公司生产的型号为gps25lp和gpsl5l的gps接收机oem板均是12通道的c/a码单频接收机。gps25lp有2个rs 232串行数据通信接口，分别提供ascii码导航电文输出和二进制的原始测量数据输出，gps25lp接收机在经过正确的设置后，可以作为基准站gps接收机使用。gpsl5l接收机可以通过串口2接口输入实时差分改正数据(rtcm sc-104信息类型1，2，3，7，9)，可以作为移动站使用。利用两个gps-oem模板和其他相关设备可建立简易的差分gps定位系统，其系统结构如图2所示。
gps25lp-oem作为基准站时，主要完成星历数据与基准站gps测量数据的接收;基准站中央处理单元完成差分改正数的计算以及rtcm sc-104电文格式的编码;数传链路完成差分数据的发送与接收;移动站gpsl5l-oem完成电文格式的解码，结合实时接收的gps测量数据生成高精度的gps定位信息。
4 试验结果
在天线静态固定位置处(经度1：28.232 068°;纬度1：112.991 309°，高度1：78.460 089 m;经度2：28.232 075°，纬度2：112.991 282°，高度2：84.728 061 m)用gps25lp和gpsl5l建立的差分系统和hemispherehcl2-a差分系统同时观测近10个小时的gga数据。
自建简易差分系统的经度，纬度，高度与时间的统计图如图3所示。
用北京合众思壮公司的gga parse 5.5解算软件得出以下试验数据对比，如图4，图5所示。
从统计图和软件解算坐标数据中可以看到，自建简易差分gps系统的定位精度可以保持在4 m以内。
5 结语
通过相关理论分析可知，采用伪距差分定位可以消除卫星时钟误差、轨道参数误差、电离层效应误差、对流层效应误差等公共误差，剩下的目标载体距离测量误差主要来自接收机本身的通道、噪声和地面多效应以及卫星信号传播路径不尽相同而残存的部分传播环境误差。通过实验结果验证了分别使用gps25lp和gpsl5l作为差分基准站和移动站建立的差分测量系统具有较高的定位精度，能够为许多精确测量提供米级精准度的定位信息;并且这种dgps测量系统性价比非常高，具有很高的使用价值。