差分定位技术：原理、分类与应用场景

简介

  差分定位（Differential Positioning）是一种高精度的定位方法，也被称为相对定位。它通过使用两台或多台GNSS（全球导航卫星系统）接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GNSS卫星，从而确定基线在协议地球坐标系中的相对位置和基线向量。这种方法可以有效提高定位精度，尤其适用于需要高精度测量的场景。

  差分定位技术针对传统GNSS定位存在的三类误差进行了优化。第一类误差（如卫星轨道误差、星历误差等）可以通过差分技术完全消除；第二类误差（如大气传播延迟误差）大部分可以消除，但其效果主要取决于基准接收机和用户接收机之间的距离；第三类误差（如接收机内部噪声、多径效应等）则无法通过差分技术消除。

  与绝对定位相比，差分定位能够显著提高定位精度。绝对定位受卫星轨道误差、钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，精度通常只能达到米级。而差分定位方法是当前GNSS测量定位中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被广泛采用。

基本概念

位置差分

  位置差分是一种最简单的差分方法，适用于任何一种GPS接收机。它是指利用已知基站的位置和移动接收机的测量结果之间的差异来修正定位误差。基站计算出其位置的真实值，并将其与接收到的GNSS信号计算出的值进行比较，从而得出修正值。

工作原理

  安装在基准站上的GPS接收机通过观测4颗卫星进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在轨道误差、时钟误差、选择可用性（SA）影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标会存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送给用户站，用户站接收并对其解算的用户站坐标进行改正。通过这种方式，可以消除基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响和大气影响等，从而提高定位精度。

适用场景
  位置差分法适用于用户与基准站之间距离在100公里以内的场景。其优点是实现简单，成本较低；缺点是定位精度相对较低，通常只能达到米级。主要用于实时差分定位系统（如DGPS和RTK）。通过基站的已知位置，可以有效地减少系统误差，提高接收机的定位精度。

伪距差分

  伪距差分是指在GNSS定位中，利用伪距（即接收机到卫星的距离的测量值）之间的差异来进行修正。伪距是通过接收卫星信号的时间差计算出的，通常会受到多种误差源的影响（如卫星时钟误差、大气延迟等）。

工作原理
  伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GNSS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。

  在基准站上的接收机需要计算得到它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户（用户站），用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

适用场景
  与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。利用伪距差分方法，定位精度可达到亚米级。主要用于提高定位精度，特别是在实时动态定位（RTK）中，伪距差分和载波相位结合使用，可以显著提高定位精度。

载波相位

  载波相位是通过测量接收机接收到的卫星信号的相位与已知参考相位之间的差异来计算的。由于载波频率远高于伪距信号的频率，载波相位测量的精度通常比伪距测量更高。尽管载波相位测量具有高精度，但仍然会受到多种误差源的影响，如多路径效应、卫星时钟误差和大气延迟等。因此，载波相位测量通常需要与差分技术结合使用，以消除公共误差。

适用场景
  载波相位和伪距差分相辅相成。伪距差分可以消除一些公共误差，而载波相位提供了更细致的测量，二者结合可以大幅提升定位精度。在实时动态定位（RTK）中，载波相位与伪距结合使用，可以显著提高定位精度。RTK系统通过比较基站和移动接收机之间的载波相位差，能够实现厘米级的定位精度。

差分定位技术

精密单点定位（PPP）

  精密单点定位（PPP，Precise Point Positioning）是一种利用全球若干地面跟踪站的观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差，对单台接收机（移动站）所采集的相位和伪距观测值进行定位解算的方法。PPP能够为世界上任何位置的用户提供更可靠的、分米级甚至厘米级的定位精度。

工作原理
  PPP的关键在于使用了精密的卫星轨道和钟差信息。这些信息通过全球地面跟踪站网络获取，并通过地球同步通信卫星作为差分通信链路传输给用户。用户无需搭建本地参考站或进行数据后处理，即可在地球表面从北纬75°到南纬75°的范围内获得厘米到分米级的定位精度。PPP技术广泛应用于高精度测量、航空导航和科学研究等领域。

优势
  PPP技术的优势在于其全球可用性和高精度。它不需要本地基站的支持，因此特别适合于那些难以建立基准站的地区，例如海洋、沙漠和偏远山区。此外，PPP技术的精度可以达到厘米级，能够满足大多数高精度定位需求。

差分全球定位系统（DGPS）

  差分全球定位系统（DGPS，Differential Global Positioning System）是一种增强GNSS（全球导航卫星系统）定位精度的技术。它通过使用基站和移动接收机之间的差分信息来修正GNSS信号中的误差，从而提高定位的准确性。

工作原理
  DGPS系统中设有一个或多个已知位置的基站，这些基站接收卫星信号并计算出自己的伪距（即接收机到卫星的距离）。基站将其计算出的伪距与实际已知位置之间的差异（误差）进行比较，得出误差值。基站将这些误差信息通过无线电或其他通信手段发送给附近的移动接收机。移动接收机接收到基站发送的误差信息后，利用这些信息对自身的伪距测量进行修正，从而提高定位精度。

适用场景
  DGPS技术广泛应用于海洋导航、港口作业、近海工程等领域。它能够提供亚米级的定位精度，特别适合于需要高精度导航的海上作业环境。此外，DGPS还可以用于陆地测量和工程定位，尤其是在城市环境中，其抗干扰能力和定位精度都表现出色。

实时动态定位（RTK）

  RTK（Real-Time Kinematic，实时动态定位）是一种高精度的卫星导航定位技术，主要用于提供厘米级的定位精度。RTK技术利用载波相位测量和差分技术，适用于各种需要高精度定位的应用场景，如精密农业、测绘、无人驾驶等。

工作原理
  RTK的工作思路与DGPS相似，但其精度更高。基准站通过数据链及时将其载波观测值及基准站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GNSS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，从而得到精度比DGPS高得多的实时测量结果。这种方法的精度一般为2厘米左右。

优势
  RTK技术是GPS测量技术发展中的一个新突破。它由基准站接收机、数据链和流动站接收机三部分组成。在基准站上安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，并将其观测数据和测站信息通过无线电传输设备实时发送给流动站。

应用场景

  差分定位技术在多个领域得到了广泛应用，以下是一些典型的应用场景及其对应的差分定位产品类型、精度、规格、价格和功耗。

细分领域	产品类型	精度	规格	价格	功耗
智能驾驶	模组	厘米级	车规级	几百元	>100mA
轻出行（共享两轮）	模组	亚米级	工业级	几十元	30mA
穿戴设备	模组	亚米级	消费级	几十元	10mA
无 人 机	模组	厘米级	工业级	几百元	30mA
无 人 机	板卡	厘米级	工业级	千元	2W-3W
智 慧 城 市	模组	米级/亚米级	工业级	几百元	30mA
智 慧 城 市	板卡	毫米级	工业级	千元	2W-3W

总结

  差分定位技术通过引入基准站和用户站之间的相对定位原理，有效消除了传统GPS定位中的系统性误差，显著提高了定位精度。从精密单点定位（PPP）到载波相位差分（RTK），差分定位技术涵盖了从全球范围的高精度定位到局部区域的实时厘米级定位，满足了不同应用场景的需求。

  在实际应用中，差分定位技术广泛应用于智能驾驶、轻出行、穿戴设备、无人机和智慧城市建设等领域。通过选择合适的差分定位产品（如模组或板卡），并根据应用场景的需求调整精度、功耗和价格，差分定位技术能够为各种高精度定位需求提供可靠的解决方案。

  随着技术的不断进步，差分定位技术的精度和可靠性将进一步提高，应用场景也将不断拓展。未来，差分定位技术有望在更多领域发挥重要作用，为智能化、精准化的生活和工作提供支持。