GPS概述及其定位原理

1．概述

五十年代未，原蘇聯(lián)發(fā)射了人類(lèi)的第一顆人造地球衛星，美國科學(xué)家在對其的跟蹤研究中，發(fā)現了多普勒頻移現象，并利用該原理促成了多普勒衛星導航定位系統TRANsIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導航定位史上的一次飛躍，我國也曾引進(jìn)了多臺多普勒接收機，應用于海島聯(lián)測、地球勘探等領(lǐng)域。但由于多普勒衛星軌道高度低、信號載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿(mǎn)足大地測量或工程測量的要求，更不可能用于天文地球動(dòng)力學(xué)研究。為了提高衛星定位的精度，美國從1973 年開(kāi)始籌建全球定位系統GPS （Global Positioning System)。在進(jìn)過(guò)了方案論證、系統試驗階段后，于1989年開(kāi)始發(fā)射正式工作衛星，并于1994年全部建成，投入使用。GPS系統的空間部分由21顆衛星組成，均勻分布在6個(gè)軌道面上，地面高度為20000余公里，軌道傾角為55度，扁心率約為0，周期約為12小時(shí)，衛星向地面發(fā)射兩個(gè)波段的載波信號，載波信號頻率分別為1575.442兆 赫茲（L1波段）和1227.6兆赫茲（L2波段），衛星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩定性，在載波上調制有表示衛星位置 的廣播星歷，用于測距的C/A碼和P碼，以及其它系統信息，能在全球范圍內，向任意多用 戶(hù)提供高精度的、全天候的、連續的、實(shí)時(shí)的三維測速、三維定位和授時(shí)。

GPS系統的控制部分由設在美國本土的5個(gè)監控站組成，這些站不間斷地對GPS衛星進(jìn)行觀(guān)測，并將計算和預報的信息由注入站對衛星信息更新。

GPS系統的用戶(hù)是非常隱蔽的，它是一種單程系統，用戶(hù)只接收而不必發(fā)射信號，因此用戶(hù)的數量也是不受限制的。雖然GPS系統一開(kāi)始是為軍事目的而建立的，但很快在民用方面得到了極大的發(fā)展，各類(lèi)GPS接收機和處理軟件紛紛涌現出來(lái)。目前在中國市場(chǎng)上出現的接收機主要有NovAtel、ASHTECH、TRIMBLE、CMC等。能對兩個(gè)頻率進(jìn)行觀(guān)測的接收機稱(chēng)為雙頻接收機，只能對一個(gè)頻率進(jìn)行觀(guān)測的接收機成為單頻接收機，他們在精度和價(jià)格上均有較大區別。

對于測繪界的用戶(hù)而言， GPS已在測繪領(lǐng)域引起了革命性的變化，目前，范圍上數公里至幾千公里的控制網(wǎng)或形變監測網(wǎng)，精度上從百米至毫米級的定位，一般都將GPS作為首選手段，隨著(zhù)RTK技術(shù)的日趨成熟，GPS已開(kāi)始向分米乃至厘米級的放樣、高精度動(dòng)態(tài)定位等領(lǐng)域滲透。

國際GPS大地測量和地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)IGS自1992年起，已在全球建立了多個(gè)數據存儲及處理中心和百余個(gè)常年觀(guān)測的臺站，我國也設立了上海余山、武漢、西安、拉薩、臺灣等多個(gè)常年觀(guān)測臺站，這些臺站的觀(guān)測數據每天通過(guò)INTERNET網(wǎng)傳向美國的數據存儲中心，IGS還幾乎實(shí)時(shí)地綜合各數據處理中心的結果，并參與國際地球自轉服務(wù)IERS的全球坐標參考系維護及地球自轉參數的發(fā)布。使用者也可免費從INTERNET網(wǎng)上取得觀(guān)測數據及精密星歷等產(chǎn)品。

GPS系統的實(shí)時(shí)導航定位精度很高，美國在1992年起實(shí)行了所謂的SA政策，即降低廣播星歷中衛星位置的精度，降低星鐘改正數的精度，對衛星基準頻率加上高頻的抖動(dòng)（使偽距和相位的量測精度降低），后又實(shí)行了A-S政策，即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進(jìn)一步限制，而美國軍方和特許用戶(hù)不受這些政策的影響，但美國為了獲得更大的商業(yè)利益，這些政策終將被取消。

2．GPS定位原理

GPS接收機可接收到可用于授時(shí)的準確至納秒級的時(shí)間信息；用于預報未來(lái)幾個(gè)月內衛星所處概略位置的預報星歷；用于計算定位時(shí)所需衛星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛星不同，隨時(shí)變化）；以及GPS系統信息，如衛星狀況等。

GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由于含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱(chēng)為偽距。對0A碼測得的偽距稱(chēng)為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱(chēng)為P碼偽距，精度約為2米左右。

GPS接收機對收到的衛星信號，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱(chēng)為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時(shí)刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開(kāi)始觀(guān)測時(shí)的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀(guān)測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續觀(guān)測值時(shí)才能使用相位觀(guān)測值，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀(guān)測值。

按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據一臺接收機的觀(guān)測數據來(lái)確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀(guān)測量，可用于車(chē)船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據兩臺以上接收機的觀(guān)測數據來(lái)確定觀(guān)測點(diǎn)之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀(guān)測量也可采用相位觀(guān)測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀(guān)測值進(jìn)行相對定位。

在GPS觀(guān)測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時(shí)還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個(gè)頻率的觀(guān)測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時(shí)（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

在定位觀(guān)測時(shí)，若接收機相對于地球表面運動(dòng)，則稱(chēng)為動(dòng)態(tài)定位，如用于車(chē)船等概略導航定位的精度為30一100米的偽距單點(diǎn)定位，或用于城市車(chē)輛導航定位的米級精度的偽距差分定位，或用于測量放樣等的厘米級 的相位差分定位（RTK），實(shí)時(shí)差分定位需要數據鏈將 兩個(gè)或多個(gè)站的觀(guān)測數據實(shí)時(shí)傳輸到一起計算。 在定位觀(guān)測時(shí)，若接收機相對于地球表面靜止，則稱(chēng)為靜態(tài)定位，在進(jìn)行控制網(wǎng)觀(guān)測時(shí)，一般均采用這種 方式由幾臺接收機同時(shí)觀(guān)測，它能最太限度地發(fā)揮GPS的定位精度，專(zhuān)用于 這種目的的接收機被稱(chēng)為大地型接 收機，是接收機中性能最好的一類(lèi)。目前，GPS已經(jīng)能 夠達到地殼形變觀(guān)測的精度要求，IGS的常年觀(guān)測臺站已經(jīng)能構成毫米級的全球坐標框架。