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(guó)科學(xué)家在對(duì)其的跟蹤研究中，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，並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(guó)也曾引進(jìn)了多臺(tái)多普勒接收機(jī)，應(yīng)用於海島聯(lián)測(cè)、地球勘探等領(lǐng)域。但由於多普勒衛(wèi)星軌道高度低、信號(hào)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(cè)量或工程測(cè)量的要求，更不可能用於天文地球動(dòng)力學(xué)研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國(guó)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)階段後，於1989年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，並於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，均勻分佈在6個(gè)軌道面上，地面高度為20000餘公里，軌道傾角為55度，扁心率約為0，週期約為12小時(shí)，衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個(gè)波段的載波信號(hào)，載波信號(hào)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)製有表示衛(wèi)星位置 的廣播星歷，用於測(cè)距的C/A碼和P碼，以及其他系統(tǒng)資訊，能在全球範(fàn)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(shí)的三維測(cè)速、三維定位和授時(shí)。

　　GPS系統(tǒng)的控制部分由設(shè)在美國(guó)本土的5個(gè)監(jiān)控站組成，這些站不間斷地對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，並將計(jì)算和預(yù)報(bào)的資訊由注入站對(duì)衛(wèi)星資訊更新。

　　 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(hào)，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)和處理軟體紛紛涌現(xiàn)出來。目前在中國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)的接收機(jī)主要有NovAtel、ASHTECH、TRIMBLE、CMC等。能對(duì)兩個(gè)頻率進(jìn)行觀測(cè)的接收機(jī)稱為雙頻接收機(jī)，只能對(duì)一個(gè)頻率進(jìn)行觀測(cè)的接收機(jī)成為單頻接收機(jī)，他們?cè)诰群蛢r(jià)格上均有較大區(qū)別。

　　對(duì)於測(cè)繪界的用戶而言， GPS已在測(cè)繪領(lǐng)域引起了革命性的變化，目前，範(fàn)圍上數(shù)公里至幾千公里的控制網(wǎng)或形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)，精度上從百米至毫米級(jí)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已開始向分米乃至釐米級(jí)的放樣、高精度動(dòng)態(tài)定位等領(lǐng)域滲透。

　　國(guó)際GPS大地測(cè)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理中心和百餘個(gè)常年觀測(cè)的臺(tái)站，我國(guó)也設(shè)立了上海餘山、武漢、西安、拉薩、臺(tái)灣等多個(gè)常年觀測(cè)臺(tái)站，這些臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)每天通過INTERNET網(wǎng)傳向美國(guó)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，IGS還幾乎實(shí)時(shí)地綜合各數(shù)據(jù)處理中心的結(jié)果，並參與國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERS的全球坐標(biāo)參考係維護(hù)及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的發(fā)佈。使用者也可免費(fèi)從INTERNET網(wǎng)上取得觀測(cè)數(shù)據(jù)及精密星歷等產(chǎn)品。

　　GPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度很高，美國(guó)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(duì)衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率加上高頻的抖動(dòng)（使偽距和相位的量測(cè)精度降低），後又實(shí)行了A-S政策，即將P碼改變?yōu)閅碼，即對(duì)精密偽距測(cè)量進(jìn)一步限制，而美國(guó)軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國(guó)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)可接收到可用於授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間資訊；用於預(yù)報(bào)未來幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用於計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及GPS系統(tǒng)資訊，如衛(wèi)星狀況等。

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

　　GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或採(cǎi)用其他技術(shù)，將調(diào)製在載波上的資訊去掉後，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(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)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(cè)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(duì)定位、並有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)於米級(jí)的定位 精度也只能採(cǎi)用相位觀測(cè)值。

　　按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能採(cǎi)用偽距觀測(cè)量，可用於車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可採(cǎi)用偽距觀測(cè)量也可採(cǎi)用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)採(cǎi)用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。

　　在GPS觀測(cè)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(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)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(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)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(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

　　在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)於地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位，如用於車船等概略導(dǎo)航定位的精度為30一100米的偽距單點(diǎn)定位，或用於城市車輛導(dǎo)航定位的米級(jí)精度的偽距差分定位，或用於測(cè)量放樣等的釐米級(jí) 的相位差分定位（RTK），實(shí)時(shí)差分定位需要數(shù)據(jù)鏈將 兩個(gè)或多個(gè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭黄鹩?jì)算。 在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)於地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位，在進(jìn)行控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，一般均採(cǎi)用這種 方式由幾臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，它能最太限度地發(fā)揮GPS的定位精度，專用於 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(cè)的精度要求，IGS的常年觀測(cè)臺(tái)站已經(jīng)能構(gòu)成毫米級(jí)的全球坐標(biāo)框架。