何謂”差分定位”(DGPS)? - 手錶
By Franklin
at 2005-06-14T00:00
何謂 "差分定位"(DGPS)?不知道有沒有人能夠較清楚ㄉ解釋工作原理呀
DGPS 基本理論 在導航應用上，由於載具不斷的變動，使得利用載波相位觀測方式定位甚困難，而需採用電碼之虛擬距離定位。然而在P電碼受限制使用，且C/A電碼精度不高的情況下(尤其在SA開啟後)，對要求較高精度的導航系統而言，便需要一套系統能對利用C/A電碼定位的精度有顯著的改善。DGPS (Differential GPS)辨是針對改善GPS利用電碼定位之精度而發展出來的系統。其原理係採用相對定位的原理。對兩不同測點利用差分方式消去大部分共同誤差而獲取較高的精度。-------------------------------------------------------------------------------- DGPS 定位原理 DGPS是利用差分方式可消除大部分誤差項，已得到較高精度的特性而發展的。此系統係利用一已知位置座標之GPS測點作為參考點。由參考點接收衛星資料並計算衛星位置與參考點間的距離，此一計算距離與參考點所測得之虛擬距離間之差值(稱為虛擬距離差);或是直接計算出參考點，利用測得之虛擬距離所得的位置座標與參考點之實際位置座標間之分量差視為修值。並且藉由數據傳送的方式傳送至未知測點上的接收儀進行修正，已提高未知測點之定位精度。 DGPS定位原理圖 DGPS 差分法 (1)虛擬距離修正量法 假設測站 1的虛擬距離觀測方程式為 P1=r1+c(dt1-dT)+drtrop1+drion1 測站2的虛擬距離觀測方程式為 P2=r2+c(dt2-dT)+drtrop2+drion2 由測站1之距離誤差量為 Dr=P1-r1=c(dt1-dT)+drtrop1+drion1 推得 P2-Dr= r2+c(dt2-dT)+drtrop2+drion2-c(dt1-dT)-drtrop1-drion1 當兩測站相距不遠（約50公里以內）時，兩站所接收之衛星訊號通過的大氣路徑相似，其大氣層延遲量非常相近即 drtrop1@drtrop2drion1@drion2 則 r2c=P2-Dr=r2+c(dt2-dt1)-------- r2c:經測站1校正後之測站2距離觀測量 經此校正後,測站2虛擬距離觀測量中之大部份誤差，如：電離層延遲量、對 流層延遲量、衛星時錶偏差量均可以消除。(2)速度修正法 當GPS接收器的輸出包括3-D速度部份時，可以直接以3-D速度為觀測量，求解輕航機阻力參數。但是由單一接收器直接輸出而獲得的速度，也會受到誤差的影響。因此，在一與移動站距離不遠之固定站(不必知其精確點位座標)，同時以一與移動站相同的接收器接收衛星訊號，因固定站不動，而其輸出的速度即反應當時的誤差，因而可將固定站接收器所得的速度作為移動站之修正量，即將移動站的速度減去固定站的速度，如此，可以消去大部分低頻誤差的影響，獲得更精確的移動站速度，值得注意的是：求解衛星數目不同或一方雜訊干擾太大，則以此方法所得到的結果將會有所偏差。 -------------------------------------------------------------------------------- DGPS系統設備 DGPS系統能順利運作，完整的DGPS系統需具有下列各主要設備以便使用者能收到正確可利用之虛擬距離修正量而獲得高精確度之定位。茲分述如下: 參考站(Reference Station) 即在DGPS系統可涵蓋的範圍內，由參考站發出虛擬距離修正量給使用者。其主要設備為一部具有額外計算能力之高品貸GPS接收機，它可完整而正確地計算出GPS衛星與參考玷宵際位置間之虛擬距離修正量，藉由無線電廣播設備將修正量以RTCM所要求之信文格式傳播給遠方的使用者。並且當所計算得虛凝距離修正量超出可接受範圍而由監測站傳回之警告訊息時，即時而完整地將此訊息再廣播給使用者知道，以通知使用者所得修正位置之精確度不足。 廣播發報器(Broadcast Transmitter) 其主要的組成都分為經變更後可接受MSK方式調變的海上無線電標桿，將即時的DGPS修正資料以RTCM SC-l04 Version2.1版格式載入，然 後再廣播給所有具接收此訊號能力的使用者。以美國海岸防衛隊為例，目前其採用285KHz~325KHz的波段並且不打算將使用的資料加入密碼以公開提供給為需要的大眾使用。由於 無線電標桿具有以下各項優點，故乃選擇無線電標桿為廣播發報器: l.已有的發射設備與發射位置:不需再重新架設發射設備與尋覓發射點位，較具終濟性。 2.適合DGPS修正訊號所欲使用的範圍。 3.適合國際無線電公約的限制，較易被全球使用者所接受。 4.經過測試後其成功率得到高度可行性的認定。全面性監測站(Integrity Monitor) 其組成部分包括了MSK接收機、DGPS接收機與電腦，經由電腦的輔助可檢查、比較DGPS修正量所定出的位置與實際監測站的位置間的誤差是否在可容忍的範圍內。監測站將以即時的方式與參考站連線，將參考站所廣播出的訊息狀況忠實地藉由監測站接收後回報給參考站。 控制站(Control Station) 於控制站內可提供24小時人員服務，藉由網路的連線可直接控制DGPS參考站與監測站，當發生緊急事件時，控制站可全盤性掌控所有的狀況。DGPS站運作過程的數位資料檔案均存放於此。 傳輸網路(Communication Network) 連結參考站與控制站，以利彼上間資料的傳輸。 DGPS使用者設備(DGPS User Equipment) 為一部具有二種不同接收機介面的顯示器，其二種不同介面一為具有解調變MSK功能的無線電接收機，一為具有能應用差分修正功能的GPS接收機。 -------------------------------------------------------------------------------- DGPS運作的四種模式 單基站差分GPS (SRDGPS) 是以一個基站所提供的差分修正值來進行改正的。區域差分GPS (LADGPS)由所佈置的一個DGPS網中，此網由若干個DGPS基站所組成，通常包括一個或數個監控站，位該區域的用戶可以收到多個基站的修正值經由平差計算後進行改正。廣域差分GPS (WADGPS)各基站並不單獨將本站所求得的虛擬距離改正值送給用戶，而是將改正值傳送至廣域DGPS網的數據處理中心統一計算，以利將衛星星曆誤差、對流層、電離層延遲誤差、衛星時錶差等各種誤差分別求解，然後再將各種誤差的改正值傳播給用戶，由用戶分別進行改正。廣域增強系統WAAS (Wide Area Augmentatiotn System)在廣域差分WADGPS中數據通訊是一難題，其困難主是來自兩方面：一是改正信號必須具有足夠大的覆蓋面；二是用戶的接收設備十分輕便、價廉。而WAAS就是為了解決上述問題而產生的，WAAS的概念是將數據中心的差分改正訊息送往地球同步衛星，而該衛星也是採用L1為載波，在載波上同樣也調制了C/A碼,並自己的衛星星曆和差分改正信息當作導航訊息轉發給用戶。
GPS在導航應用上，大都採用電碼之虛擬距離( Pseudo-range )定位，然而在P電碼受限制使用，且C/A電碼精度不高的情況下，尤其在SA(Selective Availiability)開啟使用後，對需要高精度導航而言，便需要一套系統能對利用C/A電碼的定位精度有顯著的改善。DGPS即是針對改善GPS利用電碼精度而發展出來的系統。 DGPS是利用差分方式可消去兩個GPS測站間於訊號接收時所產生之大部份共同誤差而得較高精度定位的系統。以虛擬距離觀測而言，此一系統是利用一已知精確座標之GPS測站作為基站( Reference station ) ，由參考站接收衛星資料並計算基站位置與衛星位置之間的距離，此一計算距離與參考站所測得之虛擬距離的差值 (稱為虛擬距離差)，或是直接由利用測得虛擬距離計算參考站之座標和參考站實際座標間的分量差，當成修正值( correction)，經藉由數據傳送的方式傳送至移動點(汽車或航行器)的接收器而進行修正，以提高未知測站之精度，這種位差改正的數據傳輸方法也可改由移動站上傳回至基站上進行，可以由兩種不同的數學模式來求解。一般採用虛擬距離修正法，整個系統可採用即時定位(Realtime)或後處理 ( Postprocessing)的方式進行。S/A誤差係美國國防部為了軍事上的理由發展出的一套程式，用來控制虛擬距離量測的精度，故意讓使用者從任一衛星所得者為一錯誤的虛擬距離，此種誤差經過研究人員大量投入研究後，提出差分定位（differential positioning）的技術，於局部地區可幾乎完全消除S/A影響之誤差(李台生等,1994)，其原理是利用設在已知位置－基站（base station）之固定接收器所接收的衛星訊息來求得改正值，再與未知位置－移動站（remote station）之接收器所接收的資料合併計算以求得較高精度的座標定位（如圖11）。
圖片參考：http://www.forestry.npust.edu.tw/%BA%F4%B8%F4%B1%D...
圖11：差分定位示意圖(Hurn,1989)
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