第一章 绪论
1.1 研究背景和问题提出
目前全球导航定位系统（Global Navigation Satellite System）正在以极快的速度发展，各国都非常重视导航领域，技术也已经趋于成熟化和普及化，我国经济建设诸多领域也都广泛应用了全球定位技术。GNSS 信号是全天候的，可以同时覆盖全球各个角落，因此可以给用户提供极为便利的服务。GNSS 可以为用户提供亚厘米级精度的位置信息，也可以向用户提供时间和速度信息，因此在交通运输、大地测量、军事领域有着广泛的应用。另外在精密农林业、资源调查、环境监测等等领域也起着重要作用。随着 GNSS 技术的发展，其在经济发展的诸多领域的应用也将越来越深入。为了更方便地给用户提供定位和授时服务，连续运行卫星定位综合服务系统（CORS）应运而生，这些系统的建成为各自区域的定位和授时提供了很大的便利。随着 GNSS 技术的发展，很多单位开始采用 RTK 技术，RTK 测量方式是GNSS 应用的重大里程碑。其在地形图测绘，工程放样及控制测量方面极大地提高了测绘工作的效率。但是，随着科技的发展，传统的 GPS-RTK 作业方式的弊端也日益凸显：1、每次测量作业前都需要建立基准站，连接过程复杂，并且需要进行参数校正，浪费了宝贵的测量时间；2、作业范围小，由于电离层和对流层对 GNSS 信号折射的影响，以及单基站模式数据链传输特别是使用电台传输时具有很大的局限性，因此基准站的有效服务范围有限；3、测量精度不高，由于基准站播发的差分改正数只是基准站所在位置的改正数，随着作业位置与基准站的距离不断增加，改正数的误差会随之增大，从而影响了测量的点位精度。
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1.2 差分协议研究现状
在差分 GNSS 中差分数据的传播是非常重要的环节，差分数据的传播的质量依赖于差分 GNSS 的数据链，差分数据的数据链的可靠性直接决定了定位的质量。而差分数据如果要通过数据链传输需要一个统一的传输格式以便发送、接收双方的识别。目前，国际上制定了各式各样的 GNSS 差分协议，常用的差分协议格式有三种：分别为 RTCM，RTCA 和 CMR。在国内，王广运、夏云林等学者也对差分协议进行了研究并做了相应的介绍。国际海运事业无线电技术委员会（RTCM）成立于 1983 年 11 月，同时为了顾及全球的差分 GPS 的发展与应用，专门了成立了 SC-104 委员会，该委员会的任务就是研究基于差分 GPS 的各种算法，并基于这些研究报告提出 RTCM-104差分电文标准规范。为了适应局域差分系统（Local Area DGPA-LADGPS）对差分协议的要求，尤其是广域增强系统（Wide Area Augmentation System-WAAS）的技术要求，无线电技术委员会的 159 专门委员会提出了 RTCA SC-159 差分电文协议。无线电技术委员会于 1993 年发布了基于局域差分系统发布的电文协议，基于广域差分系统的协议草案于 1994 年问世。
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第二章 差分 GPS
2.1 全球导航定位技术的发展
在目前大家熟知的 GPS 出现之前，卫星定位还是依靠地球卫星对地球上的站点进行测量。但是这种观测方法受卫星可见状态和天气的影响，且无法精确获取测站点地心坐标，因此美国开始研究新型的定位技术，也就是后来的多普勒定位技术，也叫做子午导航系统，卫星定位技术从此由低级阶段发展到高级阶段。子午导航系统经济快速、精度均匀、不受环境影响，只要能接收到信号便能在任何点测得站点的三维地心坐标。在美国 GPS 问世的同一时间，前苏联也研发了自己的导航系统，叫做 CICADA。虽然此时卫星导航系统已经进入了一个崭新的时代，但是它们依然有卫星少、不能实时定位等明显的缺陷。以此为前提，1973 年美国国防部为了给美国用户尤其是军方提供精密的三维坐标、速度和时间，批准三军联合研制新的卫星导航系统，即现在的 GPS。该系统作为一个划时代的技术，能为美国军方以及美国民众提供连续精确的导航和定位功能。经过十多年的发展，随着技术的成熟和生产成本的下降，在 80 年代初 GPS 技术在航海、航空、授时等领域已经得到了广泛的应用。空间部分、地面控制部分和用户设备部分是当前 GPS 系统的三个主要构架。其中空间部分就是 GPS 卫星星座，包括均匀分布在 6 个倾角 55°的轨道上工作的 24 颗卫星。
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2.2 差分 GPS 定位综述
根据卫星星历提供的坐标位置和其他信息与一台接收机的观测值联立来计算接收机位置的定位方法即为单点定位。这种方法的优点是只需要一台接收机用户便可以进行定位，同时因为只处理一台接收机的数据，数据处理过程也很简单，具有很不错的应用价值，在目前的车辆导航、地质勘探和环境监测等各行各业都有很多的运用。现在精密星历和精密钟差不断推广，高精度的载波观测值以及更契合的数学模型也不停地更新，出现了精密单点定位技术，定位精度得到很大提高。单点定位是以测定的接收机与卫星间的距离为基础，根据卫星星历提供的卫星空间位置，通过后方交会的方法来解算接收机位置。根据经典空间公式中坐标与距离之间的方程，只要三个观测值我们便可以联立解算出接收机的位置。但是接收机钟差很难精确测定，一般情况下将接收机钟差作为未知数带入求解，因此至少需要 4 个观测值才能解算出卫星位置。当观测值多于 4 个时，多出的部分便作为多余观测以保证解算的准确性。GPS 通过将信息调制在载波上来发送，当这些调制波到达用户接收机之后，用户通过调解这些载波获取测距码和导航电文等信息，同时这些观测值也被当做一种测距标志来使用。GPS 民用所使用的载波有两个频率，都位于 L 波段，分别为 L1 和 L2 波段，其中 L1 波段上包含了 C/A 码、P 码和导航电文，L2 波段上只包含 P 码和导航电文。其中 C/A 码用于捕获信号并粗略的测距，P 码用于精确测距。
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第三章 常用差分改正数算法 ......14
3.1 卡尔曼滤波........14
3.2 改正数算法........15
3.2.1 伪距观测值直接计算差分改正数..........15
3.2.2 载波平滑伪距观测值计算差分改正数.........17
3.2.3 伪距和载波历元单差计算差分改正数.........19
第四章 常用差分协议 ....21
4.1 RTCM 协议 .......21
4.1.1 RTCM 2.3 版本 .....21
4.1.2 RTCM 3.1 版本 .....26
4.2 CMR 协议....29
4.3 RTCM 与 CMR 的比较分析..........30
第五章 差分协议编码解码程序设计........32
5.1 编码程序设计....32
5.1.1 奇偶校检........32
5.1.2 编码字节格式规则......33
5.1.3 编码过程步骤.......34
5.2 解码程序设计....35
第六章 单基站升级模块设计与实现
6.1 北斗导航系统差分改正数分析
我国北斗导航系统从 20 世纪 80 年代开始发展，2000 年初步建成北斗导航实验系统，我国也成为世界上第三个拥有自主导航系统的国家。2004 年我国决定在北斗实验系统的基础上着手第二代北斗导航系统的建设，并向国际电信联盟申请了以“北斗”命名的导航网络建设。之后北斗系统也在不断发展中，至 2012年 10 月 25 日，已经成功发射了 16 颗导航卫星。北斗卫星除了可以满足一般定位和报时的功能外还能发送简短报文。北斗导航系统同 GPS 一样都是由空间段、地面控制部分和用户三部分组成。其中地面控制部分作为整个系统运行的中心，起到协调运作、维持同步、收集数据、监视卫星、更新电文等作用。BDS 的用户终端部分主要分为四种类型：一是基本型，主要用于基本定位；而是通信型，适用于野外作业和环境监测等等；三是授时型，适用于需要授时的用户；四是指挥型，适用于需要小型调度指挥的用户，可以与下属进行互相通信。在空间段上 BDS 与 GPS 要保证可以在地球上任意位置接收到卫星信号。BDS 的空间星座部分计划由 35 颗卫星构成，包括 5颗地球静止轨道卫星和 30 颗非地球静止轨道卫星构成了 GEO+MEO+IGSO 星座空间。北斗系统目前工作的卫星一共有 14 颗，分别位 5 颗 GEO 卫星、5 颗 IGSO卫星和 4 颗 MEO 卫星。
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结论
本文根据一个实际需要解决的问题展开，尝试对当前的基站进行改进，增加北斗差分改正数模块，使其能够播发北斗改正数，这也是让当前基站实现兼容北斗系统的第一步。为了实现这一研究目的，我们要深入了解当前基站运作机制，学习差分改正数的算法以及差分改正数的编码解码算法。本文已差分 GPS 协议以及编码解码为研究对象，主要的研究内容包括：
1. 介绍了全球导航定位系统的发展概况和差分 GPS 的发展历史，着重介绍了差分 GPS 的原理和系统组成。差分 GPS 由用户端、基站以及数据链组成，数据链肩负着传输差分数据的重任，直接关系着差分 GPS 定位精度的好坏，是非常重要的环节。对数据链起着决定性的作用便是差分协议，差分协议决定了数据传输的格式，也直接影响数据传输的速度和可靠性。
2. 详细介绍了目前常用的两种差分协议 RTCM 与 CMR，其中 RTCM 介绍了 2.3 版本与 3.1 版本并比较分析了 3.1 版本所做的改进。分析了 RTCM 与 CMR的区别，联系目前的实际情况采用 RTCM2.3 版本。
3. 参考其他学者的研究成果，介绍了当前主流的三种差分该证数算法即直接计算差分改正数、相位平滑伪距计算差分改正数以及伪距和载波历元单差计算改
