GPS概述及其定位原理

1．概述

五十年代未，原蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星，美國科學(xué)家在對其的跟蹤研究中，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，并利用該原理促成了多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)TRANsIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導(dǎo)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(jī)，應(yīng)用于海島聯(lián)測、地球勘探等領(lǐng)域。但由于多普勒衛(wèi)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，以滿足大地測量或工程測量的要求，更不可能用于天文地球動力學(xué)研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國從1973 年開始籌建全球定位系統(tǒng)GPS （Global Positioning System)。在進(jìn)過了方案論證、系統(tǒng)試驗(yàn)階段后，于1989年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于1994年全部建成，投入使用。GPS系統(tǒng)的空間部分由21顆衛(wèi)星組成，均勻分布在6個軌道面上，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，衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個波段的載波信號，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(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性，在載波上調(diào)制有表示衛(wèi)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(tǒng)信息，能在全球范圍內(nèi)，向任意多用 戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實(shí)時的三維測速、三維定位和授時。

GPS系統(tǒng)的控制部分由設(shè)在美國本土的5個監(jiān)控站組成，這些站不間斷地對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測，并將計算和預(yù)報的信息由注入站對衛(wèi)星信息更新。

GPS系統(tǒng)的用戶是非常隱蔽的，它是一種單程系統(tǒng)，用戶只接收而不必發(fā)射信號，因此用戶的數(shù)量也是不受限制的。雖然GPS系統(tǒng)一開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GPS接收機(jī)和處理軟件紛紛涌現(xiàn)出來。目前在中國市場上出現(xiàn)的接收機(jī)主要有NovAtel、ASHTECH、TRIMBLE、CMC等。能對兩個頻率進(jìn)行觀測的接收機(jī)稱為雙頻接收機(jī)，只能對一個頻率進(jìn)行觀測的接收機(jī)成為單頻接收機(jī)，他們在精度和價格上均有較大區(qū)別。

對于測繪界的用戶而言， GPS已在測繪領(lǐng)域引起了革命性的變化，目前，范圍上數(shù)公里至幾千公里的控制網(wǎng)或形變監(jiān)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RTK技術(shù)的日趨成熟，GPS已開始向分米乃至厘米級的放樣、高精度動態(tài)定位等領(lǐng)域滲透。

國際GPS大地測量和地球動力學(xué)服務(wù)IGS自1992年起，已在全球建立了多個數(shù)據(jù)存儲及處理中心和百余個常年觀測的臺站，我國也設(shè)立了上海余山、武漢、西安、拉薩、臺灣等多個常年觀測臺站，這些臺站的觀測數(shù)據(jù)每天通過INTERNET網(wǎng)傳向美國的數(shù)據(jù)存儲中心，IGS還幾乎實(shí)時地綜合各數(shù)據(jù)處理中心的結(jié)果，并參與國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERS的全球坐標(biāo)參考系維護(hù)及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的發(fā)布。使用者也可免費(fèi)從INTERNET網(wǎng)上取得觀測數(shù)據(jù)及精密星歷等產(chǎn)品。

GPS系統(tǒng)的實(shí)時導(dǎo)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(wèi)星位置的精度，降低星鐘改正數(shù)的精度，對衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率加上高頻的抖動（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(jī)可接收到可用于授時的準(zhǔn)確至納秒級的時間信息；用于預(yù)報未來幾個月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報星歷；用于計算定位時所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛(wèi)星不同，隨時變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。

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

GPS接收機(jī)對收到的衛(wèi)星信號，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀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(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達(dá)到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀測值。

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(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時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(jī)可以根據(jù)兩個頻率的觀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(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

在定位觀測時，若接收機(jī)相對于地球表面運(yùn)動，則稱為動態(tài)定位，如用于車船等概略導(dǎo)航定位的精度為30一100米的偽距單點(diǎn)定位，或用于城市車輛導(dǎo)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)時差分定位需要數(shù)據(jù)鏈將 兩個或多個站的觀測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)揭黄鹩嬎恪?在定位觀測時，若接收機(jī)相對于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位，在進(jìn)行控制網(wǎng)觀測時，一般均采用這種 方式由幾臺接收機(jī)同時觀測，它能最太限度地發(fā)揮GPS的定位精度，專用于 這種目的的接收機(jī)被稱為大地型接 收機(jī)，是接收機(jī)中性能最好的一類。目前，GPS已經(jīng)能 夠達(dá)到地殼形變觀測的精度要求，IGS的常年觀測臺站已經(jīng)能構(gòu)成毫米級的全球坐標(biāo)框架。