GPS定位模式分析

姚阿強 劉建軍

1.阿拉善盟國土資源信息中心 巴彥浩特 013250

2.內蒙古自治區航空遙感測繪院 呼和浩特 010020

1.引言

GPS（全球定位系統）是以衛星為基礎的無線電導航定位系統，廣泛運用在交通、運輸、測繪、通信、軍事、石油勘探、農林漁業、時間比對、大氣研究、氣象預報、地質災害的監測和預報等部門和領域中有廣泛的應用前景。GPS系統的出現使測繪地理信息行業產生了一場深刻的變革，促進了測繪地理信息行業的整體進步。

GPS系統的用戶是非常隱蔽的，它是一種單程系統，用戶只接收而不必發射信號，因此用戶的數量也是不受限制的。雖然GPS系統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展，各類GPS接收機和處理軟件紛紛涌現出來。目前在中國市場上出現的接收機主要有TRIMBLE、徠卡、拓普康、南方、中海達、華測等。能對兩個頻率進行觀測的接收機稱為雙頻接收機，只能對一個頻率進行觀測的接收機成為單頻接收機，他們在精度和價格上均有較大區別。

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

2.GPS定位組成和工作原理

GPS定位技術是利用高空中的GPS衛星，向地面發射L波段的載頻無線電測距信號，有地面上用戶接收機實時的連續接收信號，并計算出接收機天線所在的實際位置，所以GPS定位系統由三個方面組成為空間部分GPS衛星星座、地面控制部分地面監控系統和用戶設備部分GPS信號接收機，這三方面都各自有工作的獨立功能和作用，對于整個運行系統來說，他們都是不可缺少的。

GPS定位工作原理，當GPS衛星在用戶視界升起時，接收機能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星，并能夠跟蹤這些衛星的運行；對所接收到的GPS星號，具有變化、放大和處理的功能，以便測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。GPS信號接收機不僅需要功能較強的機內接收軟件，而且需要一個多功能的GPS數據測后處理軟件系統。接收設備加數據處理系統，才是完整的GPS信號用戶設備。

3.GPS定位模式

3.1 GPS定位的基本概念

靜態定位：在定位過程中，GPS接收機的天線位置時固定的且處于靜止狀態。其特點是觀測時間長，重復觀測多；定位可靠性強、精度高。主要用于等級控制測量和精密監測工作中。如監測地球板塊運動、地殼形變、地震等，在大的測繪項目中進行大地控制測量。

動態定位：在定位過程中，GPS接收機的天線處于運動狀態。其特點是能實時的測得運動載體的位置，多余觀測少、定位精度低。目前廣泛用于飛機、船舶、車輛等載體的導航中。

絕對定位（單點定位）：使以地球的質量中心為參照點，用一臺GPS接收機觀測（至少3顆衛星），獨立確定觀測點在WGS-84（世界）坐標系中的絕對位置（經緯度和高度）。其特點是組織實施簡單，但定位精度低。

相對定位：以地面某固定點為參考點，利用兩臺以上的GPS接收機，同時觀測一組衛星，確定各觀測點在WGS-84坐標系中的相對位置或基線向量。其特點是定位精度高，但外業組織實施和內業計算復雜（需要大量的基線處理和選擇獨立基線）。

3.2 GPS定位組合模式

靜態絕對定位，它的實施方法有偽距法定位和載波相位測量法定位；首先偽距法定位的直接觀測值是衛星接收機（星站）的偽距（?。?，在這個偽距中加上衛星鐘差（-CV-ta）、接收機鐘差（-CVtb）、電離層誤差（δρiom）和對流層誤差（δρtrop）這四個改正數，就獲得星站間的實際距離（а），為解算出這四個改正數，一臺接收機任一時刻必須收到四顆衛星（唯一解），接收衛星數大于四顆時（由多余觀測），平差計算出改正數的最或是值。載波相位測量定位的直接觀測值是相位（整數周加小數部分），某一瞬間的載波相位測量值是指瞬間接收機所產生的基準信號的相位{φ（τb）-φ(τb)}可計算出瞬間的星戰距離ρ。

即，ρ=λ×{φ（τb）-φ(τa)}。

λ—波長。現今，載波相位測量距離的精度可達1mm～2mm。

靜態相對定位，用兩臺GPS接收機安放在基線的兩端點靜止不動，同時觀測相同的4顆以上的衛星，來確定基線兩端的位置，這種定位模式稱為靜態相對定位。實際工作中，至少用3臺以上的接收機，同時測定N(N-1)/2條基線（N是接收機臺數）。如2臺同時觀測僅得1條基線，3臺同時觀測能得3條基線（三角形邊），4臺同時觀測能得6條基線（四邊形邊和對角線）。這是目前首級控制測量的主要方法。

動態絕對定位（單點動態定位），是用安設在一個運動載體上的GPS接收機，自主的測得該運動載體的實時位置，從而描繪出該運動載體的運行軌跡。如今的車載導航系統，打開、設定目的地并開始導航后，就可看到行車所在地圖上的位置。

動態相對定位，首先實時差分動態定位：是用安設在一個運動載體上的GPS接收機和安設在基準點上的另一臺GPS接收機，之間通過無線電數據傳輸，聯合測得該運動載體的實時位置，從而描繪出該運動載體的運行軌跡。GPS RTK定位技術廣泛應用于工程測量和數字測量圖中，所測的三維實時坐標精度可達厘米級?，F今大比例尺（1∶500、1∶1000、1∶2000）數字測圖的圖根控制測量采用，1∶10000航測的像片控制測量也采用。

3.3 GPSRTK定位測量的工作方式

a.在基準站安置GPS接收機，進行基準站設置；

b.進行流動站設置：

c.在至少3個公共點上，求GPS坐標與適用坐標之間的轉換參數（點校正）；

式中：X、Y、Z-當地坐標系中的實際（適用）坐標，x、y、z-RTK測出的坐標，ΔxΔyΔz-坐標平移參數αβγ-坐標旋轉參數，m-縮放參數，中間3×7的矩正是轉換系數陣。用2個平高、1個高程公共點，代入上式（列出7個方程），解出7個轉換參數（唯一解）；用3個平高公共點帶入，可列出9個方程，平差解出7個參數的最或是值。獲得7個轉換參數（平移、旋轉、縮放）后，將RTK每測出1個點的坐標xyz，帶入上式求出該點的適用坐標xyz。這是原理，實際是將新參數重新置入RTK中即可（RTK直接顯示適用坐標）。

d.實測流動點坐標，將其與檢測點的已知坐標進行對比，相差應在允許范圍內；

e.流動站繼續進行未知點的測量工作?，F今，利用各地區建立的GNSS連續運行參考站（慣稱CORS基準站）數據，在一個CORS站附近50公里的范圍內，任意位置支好RTK接收機進行接收，用手機的藍牙通訊和CORS站相連，實現數據連接后幾秒鐘就可獲得的該RTK位置的準確坐標和高程。即，利用CORS站數據進行圖根控制測量或普通工程控制網的建立方便極了。

4.結束語

目前GPS系統的應用已經十分廣泛，我們可以運用GPS信號進行海、空和陸地的導航，用于建立高精度的大地控制網，用于建立陸地海洋大地測量基準、進行高精度的海島陸地聯測以及海洋測繪，用于測定航空攝影瞬間相對位置的定位測量，用于監測地球板塊運動狀態和地殼形變，用于工程測量成為建立城市與工程測量控制網的主要手段，用于快速成圖等等；所以有必要對GPS定位模式進行分析以便我們在應用中得到準確地把握測量定位規律。

[1]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社.110-112.

[2]喬仰文，趙長勝，夏春林等.GPS衛星定位原理及其在測繪中的應用[M]北京：科學教育出版社.2003.73-78.

[3]王敬，地形測量外業基礎教程，呼和浩特：內蒙古出版集團內蒙古人民出版社，2013.12.

[4]曹志忠、褚立國、高寶明、齊林梅，西部資源2013年4月第二期，呼和浩特：《西部資源》雜志社出版，2013.4.