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差分GNSS（DGNSS）、差分GPS（DGPS）は、アメリカの全地球測位システム（GPS）やその他の類似システムなどの全地球航法衛星システム（GNSS）から得られる位置データを補完し、強化します。DGPSは、位置データの精度を約15メートル（49フィート）から1～3センチメートル（1 / 2～1 + 1 / 4インチ）へと約1000倍向上させることができます。[ 1 ]
DGPSシステムは、固定位置にある地上基準局のネットワークで構成されています。各基準局は、高精度な既知位置と、精度は低いものの衛星から取得した位置との差を計算します。基準局はこのデータを、通常は短距離の地上送信機を用いてローカルに送信します。非固定（移動）受信機は、このデータを用いて自身の位置を同じ量だけ補正し、精度を向上させます。位置推定値を直接補正することを観測空間補正と呼びます。
米国沿岸警備隊(USCG) は以前、主要な水路や港湾付近で285 kHzから325 kHzの長波無線周波数で米国で DGPS を運用していました。これは 2022 年 3 月に廃止されました。 [ 2 ] USCG の DGPS は NDGPS (Nationwide DGPS) として知られ、沿岸警備隊と陸軍工兵隊が共同で管理していました。これは、アラスカ、ハワイ、プエルトリコを含む米国の内陸部と沿岸部全体に設置された放送サイトで構成されていました。カナダ沿岸警備隊(CCG) [ 3 ]も別の DGPS システムを運用していましたが、2022 年 12 月 15 日に使用を中止しました。他の国も独自の DGPS を持っています。
地上送信機ではなく軌道衛星から補正を送信する同様のシステムは、衛星ベース補強システムと呼ばれます。当初は広域DGPS（WADGPS）という名称で提案されましたが、実際には位置に依存しない（衛星時計、暦、健全性など）および位置に依存する（電離層遅延）成分を含む状態空間補正を配信するシステムです。[ 4 ]
GPSが初めて運用開始されたとき、米軍は敵軍が世界中で利用可能なGPS信号を使って自軍の兵器システムを誘導する可能性を懸念していた。当初、政府は「粗測位」（C/A）信号の精度は約100メートル（330フィート）程度と考えていたが、受信機の設計が改良されたことで、実際の精度は20～30メートル（66～98フィート）になった。[ 5 ] 1990年3月から、[ 6 ] : 11このような予期せぬ精度を避けるため、L1周波数（1575.42 MHz）で送信されるC/A信号は、クロック信号をランダムな量だけオフセットすることで意図的に劣化させられた。このオフセット量は約100メートル（330フィート）に相当する。選択的利用可能性（Selective Availability、略してSA）として知られるこの技術は、非軍事ユーザーにとってのGPS信号の有用性を著しく低下させた。 L2周波数（ 1227.6MHz ）も受信するデュアル周波数GPS受信機のユーザーは、より正確な誘導を受けることが可能だったが、軍事用途を目的としたL2送信は暗号化されており、復号鍵を持つ認可されたユーザーのみが利用できた。
これは、 LORAN、VOR、NDBシステムなど、維持に毎年数百万ドルかかる地上無線航法システムに依存していた民間ユーザーにとって問題となった。全地球航法衛星システム（GNSS）の登場により、はるかに低いコストで精度と性能を大幅に向上させることが可能になった。しかし、SAの精度は低すぎて、これを現実的なものにすることはできなかった。軍は、連邦航空局（FAA）、米国沿岸警備隊（USCG）、米国運輸省（DOT）から、GNSSの民間利用を可能にするためにSAを除外するよう何度も要請を受けたが、安全保障上の理由から断固として反対し続けた。
1980年代前半から中頃にかけて、多くの機関がSA「問題」の解決策の開発に取り組んでいました。SA信号はゆっくりと変化するため、そのオフセットが測位に及ぼす影響は比較的固定されていました。つまり、オフセットが「東に100メートル」であれば、そのオフセットは比較的広い範囲で真となります。このことから、このオフセットをローカルGPS受信機にブロードキャストすることでSAの影響を排除し、GPSの理論的な性能に近い約15メートル（49フィート）の測定値が得られることが示唆されました。さらに、GPS測位におけるもう一つの大きな誤差要因は電離層における伝送遅延であり、これもブロードキャストで測定して補正することができました。これにより、精度は約5メートル（16フィート）に向上し 、ほとんどの民間ニーズには十分すぎるほどでした。
米国沿岸警備隊はDGPSの最も積極的な推進者の1つであり、1980年代後半から1990年代初頭にかけて、このシステムをますます広範囲にわたって実験的に運用した。これらの信号は海上長波周波数で送信され、既存の無線電話で受信し、適切な機器を備えたGPS受信機に入力することができた。主要なGPSベンダーのほぼすべてが、沿岸警備隊の信号だけでなく、 VHF帯または商用AM無線帯を使用する航空用ユニットにも対応したDGPS入力付きユニットを提供していた。
「実用レベル」のDGPS信号は1996年に限定的に送信され始め、ネットワークは急速に拡大し、カナダ沿岸警備隊との提携により、米国のほとんどの寄港地とセントローレンス水路をカバーするようになった。システムを米国全土に拡大する計画が立てられたが、これは容易ではなかった。DGPS補正の品質は一般的に距離とともに低下し、広い範囲をカバーできる大型送信機は都市部に集中する傾向がある。これは、中西部やアラスカなど人口の少ない地域では、地上GPSによるカバー範囲がほとんどないことを意味していた。2013年11月現在、米国沿岸警備隊の全国DGPSは85の放送サイトで構成され、アラスカ、ハワイ、プエルトリコを含む米国のほぼ全海岸線と内陸航行水路を二重にカバーしている。さらに、このシステムは米国の内陸部の大部分を単一または二重にカバーしている。[ 7 ]その代わりに、FAA（およびその他）は、静止軌道上の通信衛星から半球全体に信号を送信する研究を開始しました。これにより、広域補強システム（WAAS）や同様のシステムが開発されましたが、これらは一般的にDGPS、あるいは「広域DGPS」とは呼ばれません。WAASは、米国沿岸警備隊の地上DGPSネットワークと同等の精度を提供し、WAASが完全に運用開始されると後者が停止されるという議論もあります。
1990年代半ばまでに、SAシステムが本来の役割において役に立たなくなったことは明らかでした。DGPSは、最も必要とされていた米国上空でSAを無効にしてしまうでしょう。さらに、 1990年から1991年の湾岸戦争中、連合軍が市販のGPS受信機を使用していたため、SAは一時的に停止されました。[ 8 ]このことから、SAを停止したままにしておくことが米国にとって有益である可能性があることが示されました。[ 9 ] 2000年、ビル・クリントン大統領の大統領令により、SAは永久に停止されました。[ 10 ]
しかしながら、この時点でDGPSは、非SA GPS信号単独では提供できない精度を提供するシステムへと進化していました。SAと同様に、広範囲にわたって「妥当な」時間にわたって同じ特性を持つ誤差源が他にもいくつかあります。これらには、前述の電離層の影響、衛星位置暦データの誤差、衛星のクロックドリフトなどが含まれます。DGPS補正信号で送信されるデータ量に応じて、これらの影響を補正することで誤差を大幅に低減でき、最良の実装では10センチメートル（3.9インチ）未満の精度を実現できます。
米国沿岸警備隊（USCG）と連邦航空局（FAA）が支援するシステムの展開が継続されるのに加え、多くのベンダーが商用DGPSサービスを開発し、GPSの標準精度である15メートルよりも高い精度を必要とするユーザー向けに、信号（またはその受信機）を販売している。現在では、携帯型GPSを含むほぼすべての商用GPS機器がDGPSデータ入力に対応しており、多くはWAASも直接サポートしている。ある程度、DGPSは今やほとんどのGPS運用において不可欠な要素となっている。
基準局は、自身の位置と時刻に基づいて差分補正値を算出します。補正データは、基準局の計算位置の誤差、および／または各衛星について計算された擬似距離の測定誤差から構成されます。補正データは、無線またはその他の方法を用いてユーザーに配信されます。
ユーザーは、近隣の観測局からDGPS補正データストリーム（多くの場合、別の無線受信機を使用。DGPSデータのストリーミング方法については、下記の「ネットワーク」の項を参照）を取得し、それをGPS観測値と組み合わせます。ユーザーは、観測局から最大200海里（370km ）離れた場所にいる場合があります。
DGPSの基本的な使い方は、補正データをリアルタイムで計測値に適用するシンプルなシステムです。これは、接近する航空機や船舶など、移動体の航行において最も一般的に使用されています。
どちらの場合も計算は簡単です。
リアルタイムキネマティック測位は、より高度な手法です。基本的な擬似距離（コード位相）測定の代わりに、地上局と受信機の両方がGPS搬送波の位相測定を行い、より高解像度の擬似距離推定値を取得します。そのため、補正データも高解像度になります。この手法は測量分野で最も一般的に使用されています。
擬似距離または位置（いずれも観測空間）誤差の一部の要素は空間によって変化します。具体的には、衛星暦誤差や電離層および対流圏の歪みによって生じる誤差です。このため、DGPSの精度は基準局からの距離が離れるにつれて低下します。ユーザーと基準局が「相互視認性」を欠き、同じ衛星を視認できない場合、この問題はさらに悪化します。特に、補正が位置に基づいている場合は、この問題は深刻です。
測位誤差は、放送局からの距離に対してほぼ線形に増加する。
DGPS は、あらゆる種類の差分補強システムを指すことがあります。補正データは、地上無線局 (地上ベース補強システム (GBAS))、衛星、さらにはインターネットを介して受信機に送信されます。多くの空港では、接近する航空機向けに、GBAS またはLAASと呼ばれる短距離 VHF 無線サービスを運用しています。かつては、全国規模の地上放送システムが多数存在しました。米国沿岸警備隊によると、47 か国が米国の NDGPS (全国差分全地球測位システム) と同様のシステムを運用していました。リストは、Dxers 向けの World DGPS Database で確認できます。[ 13 ]
欧州DGPSネットワークは、主にフィンランドとスウェーデンの海事当局によって、両国間の群島における安全性を向上させる目的で開発された。
英国とアイルランドでは、このシステムは、 2000 年にDecca Navigator Systemが廃止されたことで生じた空白を埋める海上航行援助として導入されました。海岸線沿いに 12 基の送信機と 3 つの管制局のネットワークを備え、1998 年に両国の灯台総局 (GLA) によって設置されました。 イングランド、ウェールズ、チャンネル諸島を管轄するTrinity House 、スコットランドとマン島を管轄するNorthern Lighthouse Board、アイルランド全土を管轄するCommissioners of Irish Lightsです。300 kHz 帯で送信するこのシステムは、テストを受け、2 つの送信機が追加された後、2002 年に運用開始が宣言されました。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]このシステムは 2022 年 3 月に廃止されました。[ 17 ]
Effective Solutionsは、欧州の差分ビーコン送信機の詳細と地図を提供しています。[ 18 ]
米国運輸省は、連邦道路局、連邦鉄道局、国家測地測量局と連携して、米国沿岸警備隊を米国全国DGPSネットワーク（NDGPS）の維持管理機関に任命した。このシステムは、沿岸警備隊が1980年代後半に開始し、1999年3月に完了した以前の海上差分GPS（MDGPS）の拡張である。MDGPSは沿岸水域、五大湖、ミシシッピ川の内陸水路のみをカバーしていたが、NDGPSはこれを拡張して米国本土の完全なカバー範囲を含むようにしている。[ 19 ]中央指揮統制ユニットは、バージニア州アレクサンドリアに拠点を置く米国沿岸警備隊航行センターである。[ 20 ]現在、米国ネットワークには85のNDGPSサイトがあり、米国国土安全保障省航行センターによって管理されている。
2015年、米国沿岸警備隊（USCG）と米国陸軍工兵隊（USACE）は、米国DGPSの段階的廃止計画について意見を募った。[ 21 ]寄せられた意見を受けて、2016年の連邦官報で、46局が引き続き運用され、「海上および沿岸地域の利用者が利用可能」になると発表された。[ 22 ]この決定にもかかわらず、USACEは残りの7局を廃止し、2018年3月には、USCGが残りの局を2020年までに廃止すると発表した。[ 23 ] 2020年6月現在、2000年の選択的利用可能性の廃止[ 24 ]と新世代GPS衛星の導入[ 25 ]により、NDGPSサービスはもはや必要ではないとみなされ、すべてのNDGPSサービスが廃止されている。
カナダのシステムは米国のシステムと似ており、主に大西洋と太平洋の沿岸、五大湖、セントローレンス水路をカバーする海上利用向けでした。2022年12月15日にサービスが終了しました。[ 26 ]
オーストラリアでは2つのDGPSネットワークが運用されています。1つは主に海上航行用で、長波帯で信号を送信しています。[ 27 ]もう1つは土地測量と陸上航行に使用され、補正は商用FMラジオ帯で放送されます。
オーストラリア沿岸をカバーする16の地上局による海上DGPSサービスは、2020年7月1日をもって廃止されました。 [ 28 ]マルチチャネルGPS機能の向上と、複数のプロバイダー（GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou）からの信号源により、GPS + DGPSから得られるよりも優れた航法精度が得られるとされています。オーストラリアの衛星ベース補強システム（SBAS）であるSouthern Positioning Augmentation Network（SouthPAN）は、GNSSユーザーに高精度の測位を提供します。[ 29 ]
QZSS衛星は「サブメートルレベル補強システム」（SLAS）を運用しています。13の地上局で測定された擬似距離誤差と衛星の状態情報を送信します。GPS、GLONASS、QZSS（自身）、BeiDou、Galileoを補強します。GPS L1バンドを使用するため、既存の受信機はファームウェアの変更だけで利用できます。[ 30 ]
Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP) is a standard Internet protocol for the exchange of GPS correction data, especially those pertaining to DGPS. Free and paid servers provide access to real-time correction data in this protocol.[31] Some of them provide advanced features such as virtual reference station, where corrections from several nearby stations are combined to provide a better estimate of errors for the request location. NTRIP servers are extensively used in Real Time Kinematic work.[32]
Post-processing is used with Differential GPS to obtain precise positions of unknown points by relating them to known points such as survey markers.
The GPS measurements are stored in the GPS receivers, and are subsequently transferred to a computer running the GPS post-processing software. The software computes baselines using simultaneous measurement data from two or more GPS receivers.
The baselines represent a three-dimensional line drawn between the two points occupied by each pair of GPS antennas. The post-processed measurements allow more precise positioning, because most GPS errors affect each receiver nearly equally, and therefore can be cancelled out in the calculations.
The improvement of GPS positioning doesn't require simultaneous measurements of two or more receivers in any case, but can also be done by special use of a single device. In the 1990s when even handheld receivers were quite expensive, some methods of quasi-differential GPS were developed, using the receiver in quick turns of positions or loops of 3-10 survey points.