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【摘 要】本文介紹了GPS技術(shù)的系統(tǒng)組成、特點(diǎn)、定位原理、發(fā)展等，希望在理論上對(duì)GPS技術(shù)應(yīng)用與推廣起到一定的推廣作用，在實(shí)踐上對(duì)測(cè)繪技術(shù)工作者具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義等。

【關(guān)鍵詞】GPS技術(shù)

前言：

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。起始于1958年美國(guó)軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。20世紀(jì)70年代，美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS 。主要目的是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)搜集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

一、GPS系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及定位原理

（一）全球定位系統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的特點(diǎn)

1.定位精度高

應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS 相對(duì)定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6，100-500km可達(dá)10-7，1000km可達(dá)10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測(cè)的解其平面其平面位置誤差小于1mm，與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較，邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm，校差中誤差為0.3mm。

2.觀測(cè)時(shí)間短

3.測(cè)站間無(wú)須通視

4.可提供三維坐標(biāo)，能滿足四等水準(zhǔn)要求

5.操作簡(jiǎn)便攜帶方便

6.全天候作業(yè)

7.功能多、應(yīng)用領(lǐng)域廣

二、GPS系統(tǒng)的定位原理

衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。它廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)航和測(cè)量定位工作中。

（一）絕對(duì)定位原理

它也叫單點(diǎn)定位，通常是指在協(xié)議地球坐標(biāo)系（例如WGS-84坐標(biāo)系）中，直接確定觀測(cè)站，相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)的一種定位方法。"絕對(duì)"一詞，主要是為了區(qū)別以后將要介紹的相對(duì)定位方法。絕對(duì)定位和相對(duì)定位，在觀測(cè)方式、數(shù)據(jù)處理、定位精度以及應(yīng)用范圍等方面均有原則上的區(qū)別。又分為測(cè)碼絕對(duì)定位和測(cè)相絕對(duì)定位。

在1個(gè)觀測(cè)站上，有4個(gè)獨(dú)立的衛(wèi)星距離觀測(cè)量。假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式如圖：

四個(gè)方程式中x、y、z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，Vto為接收機(jī)的鐘差為未知參數(shù)，其中di=c△ti，（i=1、2、3、4），di分別為衛(wèi)星i到接收機(jī)之間的距離，△ti 分別為衛(wèi)星i的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間，xi、yi、zi為衛(wèi)星i在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，Vti為衛(wèi)星鐘的鐘差，c為光速。

由以下四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)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(duì)定位

相對(duì)定位的最基本情況，是兩臺(tái)GPS接收機(jī)，分別安置在基線的兩端，并同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)，在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對(duì)位置或基線向量。這種方法，一般可以推廣到多臺(tái)接收機(jī)安置在若干基線的端同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差，衛(wèi)星鐘差，接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差等，對(duì)觀測(cè)量的影響具有一定的相關(guān)性，所以利用這些觀測(cè)量的不同組合，進(jìn)行相對(duì)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(duì)定位的精度。

1.靜態(tài)相對(duì)定位

一般采用載波相位觀測(cè)值（或測(cè)相偽距）為基本觀測(cè)量。它是當(dāng)前GPS定位中精度最高的一種方法。在載波相位觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理中，為了可靠地確定載波相位的整周未知數(shù)，靜態(tài)相對(duì)定位一般需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間（1小時(shí)到3小時(shí)不等），此種方法一般也被稱為經(jīng)典靜態(tài)相對(duì)定位法。

2.準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位法

基本思想：利用起始基線向量確定初始整周未知數(shù)或稱初始化，之后，一臺(tái)接收機(jī)在參考點(diǎn)（基準(zhǔn)站）上固定不動(dòng)，并對(duì)所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)；而另一臺(tái)接收機(jī)在其周圍的觀測(cè)站上流動(dòng)，并在每一流動(dòng)站上靜止進(jìn)行觀測(cè)，確定流動(dòng)站與基準(zhǔn)站之間的相對(duì)位置。通常稱為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，又稱走走停停（Stop and Go）定位法。

主要缺點(diǎn)：接收機(jī)在移動(dòng)過(guò)程中必須保持對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。

3.動(dòng)態(tài)相對(duì)定位

用一臺(tái)接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上固定不動(dòng)，另一臺(tái)接收機(jī)安置在運(yùn)動(dòng)載體上，兩臺(tái)接收機(jī)同步觀測(cè)相同衛(wèi)星，以確定運(yùn)動(dòng)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的實(shí)時(shí)位置。

三、GPS技術(shù)的發(fā)展

（一）常規(guī) RTK （ RealTimeKinematic） 技術(shù)

它是GPS技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合而構(gòu)成的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)， 主要由兩部分組成， 即基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。基準(zhǔn)站連續(xù)把觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)射出去， 流動(dòng)站實(shí)時(shí)差分處理基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的載波相位觀測(cè)值， 獲取所在點(diǎn)的坐標(biāo)、高程和精度指標(biāo)。

優(yōu)缺點(diǎn)：常規(guī)RT K 定位技術(shù)雖然可以滿足很多工程應(yīng)用的要求， 但是還是具有其局限性和不足， 如距離不能太長(zhǎng)， 當(dāng)距離大于 50km 時(shí)， 常規(guī) RTK 單歷元解一般只能達(dá)到分米級(jí)的定位精度。

（二）網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

網(wǎng)絡(luò) RTK 也稱多基準(zhǔn)站 RTK， 利用CORS各個(gè)參考站的觀測(cè)信息，以CORS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立精確的差分信息解算模型，解算出高精度的差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線通信數(shù)據(jù)鏈路將各種差分改正數(shù)發(fā)送給用戶。集Internet技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和常規(guī)RTK定位技術(shù)于一體，已被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、城市規(guī)劃建設(shè)等領(lǐng)域。

網(wǎng)絡(luò)RT K 技術(shù)與常規(guī) RT K 技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）優(yōu)化了初始化時(shí)間、擴(kuò)大了作業(yè)的范圍（2）不需已知控制點(diǎn)、采用連續(xù)基站，可以隨時(shí)觀測(cè)，提高了工作效率（3）有效地消除了系統(tǒng)誤差和周跳，增強(qiáng)了差分作業(yè)的可靠性（4）實(shí)現(xiàn)了單機(jī)作業(yè)，減少了費(fèi)用（5）使用了固定可靠的數(shù)據(jù)鏈通訊方式，減少了噪聲干擾（6）實(shí)現(xiàn)了資源的共享（7）拓展了GPS的應(yīng)用范圍。

四、小結(jié)

近年來(lái)GPS技術(shù)的發(fā)展的日新月異，常規(guī)雖然可以滿足很多工程應(yīng)用的要求， 但是還是具有其局限性和不足， 如距離不能太長(zhǎng)， 當(dāng)距離大于 50km 時(shí)， 常規(guī) RTK 單歷元解一般只能達(dá)到分米級(jí)的定位精度。尤其是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的發(fā)展，極大提高了測(cè)繪作業(yè)效率，極大節(jié)約了人力、物力與財(cái)力，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將會(huì)有更深廣的發(fā)展和應(yīng)用。

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