差分GPS技术

当GPS首次投入使用时，美国军方担心敌军可能会使用该全球可用的GPS信号来引导武器系统。最初，政府认为“粗略采集的”（C/A）信号只能提供约100米的精度，但随着接收器设计的改进，实际精度为20至30米。^[4] 从1990年3月开始，^[5] 为了避免提供这种意想不到的精度，在L1频率（1575.42MHz）上传输的C/A信号被故意降级，使其时钟信号偏移一个随机的量，相当于大约100米的距离。这种技术被称为“有选择可用性技术（Selective Availability）”，简称SA，严重降低了GPS信号对非军事用户的有用性。双频GPS接收器的用户可以获得更准确的导航，这些接收器也接收L2频率（1227.6MHz），但L2传输是用于军事用途的，是加密的，只有拥有解密密钥的授权用户才能使用。

这给依赖地面无线电导航系统（如LORAN、VOR和NDB系统）的民用用户带来了问题，这些系统每年花费数百万美元维护。而全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）的出现可以以很小的成本大大提高精度和性能，但SA信号固有的准确性太差，无法实现这一点。军方收到了联邦航空管理局（Federal Aviation Administration, FAA）、美国海岸警卫队（USCG）和美国交通部（United States Department of Transportation, DOT）的多项请求，要求弃用SA，以便GNSS得以民用，但出于安全原因，军方仍坚持反对。

从20世纪80年代初到中期，许多机构为SA“问题”开发了解决方案。由于SA信号变化缓慢，其偏移对定位的影响相对固定——也就是说，如果偏移是“向东100米”，那么该偏移在相对较宽的区域内是正确的。这表明，向当地的GPS接收机广播这种偏移可以消除SA的影响，以使测量结果更接近GPS的理论性能（大约为15米）。此外，GPS误差的另一个主要来源是电离层的传输延迟，这也可以在广播中进行测量和校正。从而精度提高到了大约5米，足以满足大多数民用需求。^[1]

美国海岸警卫队是DGPS系统的积极支持者之一，并在1980年代末和1990年代初对该系统进行了广泛的试验。这些信号在海洋长波频率上广播，可以在现有的无线电话上接收，并输入给适当装配的GPS接收机。几乎所有主要的GPS供应商都提供支持DGPS输入的设备，不仅用于USCG信号，还用于VHF或商用AM无线电波段的航空设备之中。

1996年，人们开始在有限的基础上发送“生产级质量”的DGPS信号，并迅速扩大网络，以覆盖大多数美国港口，以及与加拿大海岸警卫队合作的圣劳伦斯航道。将该系统扩展到美国各地已列入计划，但这并不容易实现，DGPS校正的质量通常随着距离增长而下降，能够覆盖大面积的大型发射机往往聚集在城市附近，这意味着人口较少的地区，特别是中西部和阿拉斯加地区，将很难被地基GPS覆盖。截至2013年11月，USCG的全国DGPS系统由85个广播站点组成，覆盖几乎整个美国海岸线和内陆通航水道，包括阿拉斯加、夏威夷和波多黎各。此外，该系统为美国大部分内陆地区提供了单一或双重复盖。^[6] 相反，FAA（和其他机构）开始研究从地球同步轨道上的通信卫星向整个半球广播信号。这导向了广域增强系统（Wide Area Augmentation System, WAAS）和类似系统的出现，尽管这些系统通常不称为DGPS（或广域DGPS），但WAAS提供的精确度类似于美国海岸警卫队的地面DGPS网络，有人认为，随着WAAS全面投入运行，后者将被关闭。

到20世纪90年代中期，SA系统明显不如预期中的有用，DGPS使其在美国失去作用，而美国正是最需要它的地方。此外，海湾战争期间的经验表明，美国军队广泛使用了民用接收器，这意味着，开启SA比关闭SA对美国的伤害更大。^[7] 在多年的压力之下，比尔·克林顿总统发布了一项行政命令，在2000年永久关闭了SA系统。^[8]

然而，此时DGPS已经发展成为一个系统，可以提供比非SA的GPS信号本身更高的精度。一些误差来源与SA具有相同的特征，因为它们在大面积范围内和“合理的”时间范围内是相同的，其中包括前面提到的电离层效应，以及卫星位置星历数据误差和卫星时钟漂移误差。根据DGPS校正信号中发送的数据量，对这些效应进行校正可以显著减少误差，最佳精度可小于10厘米。

除了继续部署USCG和FAA赞助的系统之外，许多供应商还创造了商业DGPS服务，向要求更高精度（GPS标称15米）的用户出售他们的信号（或信号接收器）。几乎所有商用GPS设备，甚至手持设备，现在都提供了DGPS数据输入功能，许多设备还直接支持WAAS。在某种程度上，DGPS的这种形式算是大多数GPS定位的组成部分。

参考站计算其自身位置和时间的差分校正（以发送给接收器）。然而，用户可能离该站多达200海里（370km），部分补偿误差会随着距离变化：具体来说包括卫星星历表误差以及电离层和对流层失真引起的误差。因此，DGPS的精度随着离参考站的距离增大而降低。如果用户和参考站缺乏“相互可见性”——当他们观察不到相同的卫星时，问题可能会更加严重。

《美国联邦无线电导航计划》和《关于283.5-325kHz波段的DGNSS服务性能和监测的IALA建议》引用了美国交通部于1993年估计的误差增长值，该值为距广播站每100公里增加0.67米^[9] ，但葡萄牙对大西洋两岸的精度测量表明，该误差每100公里仅会增加0.22米。^[10]

DGPS可以指任何类型的地基增强系统（Ground-Based Augmentation System, GBAS）。据美国海岸警卫队称，全世界有许多系统正在使用：有47个国家运行了类似于美国全国差分全球定位系统（US NDGPS）的DGPS系统。可以在Dxers的世界DGPS数据库找到相应的名单列表 World DGPS Database for Dxers。

4.1 欧洲DGPS网络

欧洲DGPS网络主要由芬兰和瑞典海事管理机构开发，目的是改善两国之间群岛的安全。

在英国和爱尔兰，该系统被用作海上导航辅助设备，以填补2000年Decca导航系统消亡后留下的空白。1998年，国家灯塔总局（General Lighthouse Authorities，GLA） 建立了一个由12个发射机和三个控制站组成的网络，包括了覆盖英格兰、威尔士和海峡群岛的三一学院、覆盖苏格兰和马恩岛的北方灯塔委员会以及覆盖整个爱尔兰的爱尔兰灯塔委员会。该系统在300kHz波段进行信号发射，经过测试后，在2002年宣布运行前增加了两个发射机。^[11][12]

三一学院- DGNSS Stations： UK and Ireland

有效的解决方案（数据产品）- European Differential Beacon Transmitters -细节和地图

4.2 美国NDGPS

美国交通部连同联邦公路管理局、联邦铁路管理局和国家大地测量局任命海岸警卫队为美国全国DGPS（NDGPS）网络的维护机构。该系统是以前海上差分GPS（Maritime Differential GPS，MDGPS）的扩展，由海岸警卫队于1980年代末开始建设，并于1999年3月完成。MDGPS只覆盖沿海水域、五大湖和密西西比河内陆水道，而NDGPS则将其扩展到包括美国大陆的全部覆盖范围。^[13] 中央指挥控制单位是位于弗吉尼亚州亚历山大市的USCG导航中心 USCG Navigation Center^[14]。 目前美国网络中有85个NDGPS站点，由美国国土安全部导航中心（U.S. Department of Homeland Security Navigation Center）管理。

2015年，USCG和USACE就逐步淘汰美国DGPS系统的计划征求意见^[15]。根据收到的意见，随后于2016年《联邦登记公告》宣布，有46个站台将继续运行，并“向海洋和沿海地区的用户开放”^[16]。尽管做出了这一决定，USACE仍拆除了剩余的7个站点，2018年3月，USCG宣布将在2020年前拆除剩余的站点^[17]。

4.3 加拿大DGPS

加拿大的系统与美国系统相似，主要用于覆盖大西洋和太平洋海岸以及五大湖和圣劳伦斯航道。

4.4 澳大利亚

澳大利亚运行三个DGPS系统：一个主要用于海上导航，在长波波段广播信号；^[18] 另一个用于土地勘测和陆地导航，在商业FM波段进行校正广播。悉尼机场的第三个系统目前正在进行飞机精确着陆测试（2011年），作为仪器着陆系统的备份工作到至少到2015年。它被称为地基增强系统。飞机位置的修正信息通过航空VHF波段广播。

后处理用于差分GPS之中，通过将未知点与已知点（例如测量标记）相关联来获得未知点的精确位置。

GPS测量值通常存储在GPS接收器的存储器中，随后被传输到具有GPS后处理软件的计算机上。该软件使用来自两个或多个GPS接收器的同步测量数据以计算基线。

基线表示两个GPS天线连起来的三维线段。后处理测量提供更精确的定位，因为大多数GPS误差对两个接收器的影响是几乎相等的，可以在计算中抵消掉。

如果一些GPS接收器使用单独的无线电接收器接收校正信号，例如在实时动态（RTK）测量或导航中，差分GPS的测量值也可以由它们实时计算。

改进的GPS在任何情况下都不需要同时测量两个或多个接收器，而是通过特殊地使用单个设备来完成。在20世纪90年代，即使手持接收机也相当昂贵，一些准差分GPS的方法被开发出来，通过快速移动3-10个测量点的位置或环路来使用接收器（就可以进行准差分定位）。