淺談GPS技術的發展

魯旺中

【摘 要】本文介紹了GPS技術的系統組成、特點、定位原理、發展等，希望在理論上對GPS技術應用與推廣起到一定的推廣作用，在實踐上對測繪技術工作者具有一定的指導和借鑒意義等。

【關鍵詞】GPS技術

前言：

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統）的簡稱。起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用。20世紀70年代，美國陸海空三軍聯合研制了新一代衛星定位系統GPS 。主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報搜集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的，經過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

一、GPS系統組成、特點及定位原理

（一）全球定位系統的整個系統由三大部分組成，即空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成。

（二）GPS系統的特點

1.定位精度高

應用實踐已經證明，GPS 相對定位精度在50km以內可達10-6，100-500km可達10-7，1000km可達10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較，邊長較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。

2.觀測時間短

3.測站間無須通視

4.可提供三維坐標，能滿足四等水準要求

5.操作簡便攜帶方便

6.全天候作業

7.功能多、應用領域廣

二、GPS系統的定位原理

衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，經過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。它廣泛的應用于導航和測量定位工作中。

（一）絕對定位原理

它也叫單點定位，通常是指在協議地球坐標系（例如WGS-84坐標系）中，直接確定觀測站，相對于坐標系原點絕對坐標的一種定位方法。"絕對"一詞，主要是為了區別以后將要介紹的相對定位方法。絕對定位和相對定位，在觀測方式、數據處理、定位精度以及應用范圍等方面均有原則上的區別。又分為測碼絕對定位和測相絕對定位。

在1個觀測站上，有4個獨立的衛星距離觀測量。假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式如圖：

四個方程式中x、y、z為待測點坐標，Vto為接收機的鐘差為未知參數，其中di=c△ti，（i=1、2、3、4），di分別為衛星i到接收機之間的距離，△ti 分別為衛星i的信號到達接收機所經歷的時間，xi、yi、zi為衛星i在t時刻的空間直角坐標，Vti為衛星鐘的鐘差，c為光速。

由以下四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。

[（xi-x）2+（yi-y）2+（zi-z）2]1/2+c（Vti-Vto）=di，其中i=1，2，3，4

（二）相對定位

相對定位的最基本情況，是兩臺GPS接收機，分別安置在基線的兩端，并同步觀測相同的GPS衛星，以確定基線端點，在協議地球坐標系中的相對位置或基線向量。這種方法，一般可以推廣到多臺接收機安置在若干基線的端同步觀測相同衛星的情況下，衛星的軌道誤差，衛星鐘差，接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等，對觀測量的影響具有一定的相關性，所以利用這些觀測量的不同組合，進行相對定位，便可有效地消除或者減弱上述誤差的影響，從而提高相對定位的精度。

1.靜態相對定位

一般采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量。它是當前GPS定位中精度最高的一種方法。在載波相位觀測的數據處理中，為了可靠地確定載波相位的整周未知數，靜態相對定位一般需要較長的觀測時間（1小時到3小時不等），此種方法一般也被稱為經典靜態相對定位法。

2.準動態相對定位法

基本思想：利用起始基線向量確定初始整周未知數或稱初始化，之后，一臺接收機在參考點（基準站）上固定不動，并對所有可見衛星進行連續觀測；而另一臺接收機在其周圍的觀測站上流動，并在每一流動站上靜止進行觀測，確定流動站與基準站之間的相對位置。通常稱為準動態相對定位，又稱走走停停（Stop and Go）定位法。

主要缺點：接收機在移動過程中必須保持對觀測衛星的連續跟蹤。

3.動態相對定位

用一臺接收機安置在基準站上固定不動，另一臺接收機安置在運動載體上，兩臺接收機同步觀測相同衛星，以確定運動點相對基準站的實時位置。

三、GPS技術的發展

（一）常規 RTK （ RealTimeKinematic） 技術

它是GPS技術與數據傳輸相結合而構成的實時動態定位技術， 主要由兩部分組成， 即基準站和流動站。基準站連續把觀測到的衛星數據發射出去， 流動站實時差分處理基準站和流動站的載波相位觀測值， 獲取所在點的坐標、高程和精度指標。

優缺點：常規RT K 定位技術雖然可以滿足很多工程應用的要求， 但是還是具有其局限性和不足， 如距離不能太長， 當距離大于 50km 時， 常規 RTK 單歷元解一般只能達到分米級的定位精度。

（二）網絡RTK技術

網絡 RTK 也稱多基準站 RTK， 利用CORS各個參考站的觀測信息，以CORS網絡體系結構為基礎，建立精確的差分信息解算模型，解算出高精度的差分數據，然后通過無線通信數據鏈路將各種差分改正數發送給用戶。集Internet技術、無線通信技術、計算機網絡管理技術和常規RTK定位技術于一體，已被廣泛應用于基礎測繪、城市規劃建設等領域。

網絡RT K 技術與常規 RT K 技術相比具有以下優勢：

（1）優化了初始化時間、擴大了作業的范圍（2）不需已知控制點、采用連續基站，可以隨時觀測，提高了工作效率（3）有效地消除了系統誤差和周跳，增強了差分作業的可靠性（4）實現了單機作業，減少了費用（5）使用了固定可靠的數據鏈通訊方式，減少了噪聲干擾（6）實現了資源的共享（7）拓展了GPS的應用范圍。

四、小結

近年來GPS技術的發展的日新月異，常規雖然可以滿足很多工程應用的要求， 但是還是具有其局限性和不足， 如距離不能太長， 當距離大于 50km 時， 常規 RTK 單歷元解一般只能達到分米級的定位精度。尤其是網絡RTK技術的發展，極大提高了測繪作業效率，極大節約了人力、物力與財力，具有非常廣闊的應用前景，相信隨著科學技術的進一步發展，將會有更深廣的發展和應用。

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