GPS測量原理探討

苗繼承

（駐馬店市農(nóng)村公路管理處，河南 駐馬店 463000）

1 GPS簡介

GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱，它的含義是利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。它具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢的導航定位、定時、測速系統(tǒng)。

2 GPS的組成

1973年12月，美國國防部正式批準陸海軍三軍共同研制導航全球定位系統(tǒng)-全球定位系統(tǒng)（GPS）。1994年進入完全運行狀態(tài)；整套GPS定位系統(tǒng)由三個部分組成的，即由GPS衛(wèi)星組成的空中部分、由若干地面站組成的地面監(jiān)控系統(tǒng)、以接收機為主體的用戶設(shè)備。三者有各自獨立的功能和作用，但又是有機地配合而缺一不可的整體系統(tǒng)。

2.1 空間衛(wèi)星部分

GPS的空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星所組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為用于導航的衛(wèi)星，3顆為活動備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個傾角為550，高度約為20200公里的高空軌道上繞地球運行。衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時。完整的工作衛(wèi)星星座保證在全球各地可以隨時觀測到4-8顆高度角為150以上的衛(wèi)星，若高度在50則可達到12顆衛(wèi)星。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作。

2.2 地面監(jiān)控部分

GPS的控制部分由分布在全球若干個跟蹤站所組成的監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，根據(jù)其作用不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。

2.2.1 主控站的作用：主控站擁有大型電子計算機，用作為主體的數(shù)據(jù)采集、計算、傳輸、診斷、編輯等工作。

2.2.2 監(jiān)控站的作用：監(jiān)控站的主要任務(wù)是對每顆衛(wèi)星進行觀測，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。每個監(jiān)控站配有GPS接收機，對每顆衛(wèi)星長年連續(xù)不斷地進行觀測，每6秒進行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。監(jiān)測站是一種無人值守的數(shù)據(jù)采集中心，受主控站的控制，定時將觀測數(shù)據(jù)送往主控站。

2.2.3 注入站的作用：主控站將編輯的衛(wèi)星電文傳送到位于三大洋的三個注入站，定時將這些信息注入各個衛(wèi)星，然后由GPS發(fā)送給廣大用戶。

2.3 用戶接收部分

就在大家一籌莫展時，設(shè)備管理處副處長李磊想到毗鄰的長嶺煉化可能有相同的冗余通訊卡備件，馬上與長煉設(shè)備處聯(lián)系求助，對方很快回復找到相同備件。

GPS用戶部分由GPS接收機（移動站、基準站等）、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)用戶設(shè)備。

3 GPS信號

GPS導航定位系統(tǒng)屬于無線電導航定位系統(tǒng)，用戶只需通過接收設(shè)備接收衛(wèi)星播的信號就能測定衛(wèi)星信號傳播時間延遲或相位的延遲，解算出接收機與GPS衛(wèi)星間的距離（稱為偽距），確定接收機位置。

GPS衛(wèi)星發(fā)射兩種頻率的載波信號——偽隨機碼，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23HMz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調(diào)制著多種信號，這些信號主要有：C/A碼又被稱為粗捕獲碼、P碼又被稱為精碼、P碼與W碼進行模二相加生成保密的Y碼。

4 GPS誤差

利用GPS定位時，GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號受各種因素影響，使得測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，精度下降。影響GPS定位精度的因素可分為下列幾個方面：

4.1 與GPS衛(wèi)星有關(guān)的因素：SA政策、衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差、地球自轉(zhuǎn)的影響、發(fā)射天線相位中心偏差。

4.2 與信號傳播途徑有關(guān)的誤差：電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)。

4.3 儀器本身的誤差：接收機鐘差、接收機天線相位中心偏差、接收機軟件和硬件造成的誤差。

4.4 其他方面的影響：GPS控制部分人為或計算機造成的影響、數(shù)據(jù)處理軟件的影響。

5 坐標系統(tǒng)

5.1 坐標系的分類

所謂坐標系指的是描述空間位置的表達形式，即采用什么方法來表示空間位置。在測量中，常用的坐標系有以下幾種：空間直角坐標系、空間大地坐標系、平面直角坐標系。

5.2 GPS測量中常用的坐標系統(tǒng)：WGS-84坐標系、1954年北京坐標系、1980年西安大地坐標系。

6 GPS衛(wèi)星定位基本原理

測量學中有測距交會確定點位的方法。與其相似，無線電導航定位系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測距定位系統(tǒng)，其定位原理也是利用測距交會的原理確定點位。

將無線點信號發(fā)射臺從地面點搬到衛(wèi)星上，組成一個衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，應(yīng)用無線電測距交會的原理，便可由3個以上地面已知點（控制點）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三個以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點（用戶接收機）的位置。這便是GPS衛(wèi)星定位的基本原理。

在GPS定位中，GPS衛(wèi)星是高速運動的衛(wèi)星，其坐標值隨時間在快速變化著。需要實時的GPS衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離，實時的衛(wèi)星的導航電文解算出衛(wèi)星的坐標值，并進行測站點的定位。依據(jù)測距的原理，其定位原理與方法主要有位距法定位，載波相位測量定位以及差分GPS定位等。對于待定點來說，根據(jù)其運動狀態(tài)可以將GPS定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。靜態(tài)定位指的對于固定不動的待定點，將GPS接收機安置于其上，觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。若以兩臺GPS接收機分別置于兩個固定不變的待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點之間的相對位置，又叫相對定位。而動態(tài)定位則至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動中的接收機的點位。

7 差分原理

差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用。比如相對定位中，在一個測站上對兩個觀測目標進行觀測，將觀測值求差；過在兩個測站上對用一個目標進行觀測，將觀測值求差；或在一個測站上對一個目標進行兩次觀測求差。其目的是消除公共誤差，提高定位精度。利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量，這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對定位。

GPS定位中，存在著三部分誤差：一是多臺接收機公有的誤差，如：衛(wèi)星時鐘差，星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對流層誤差；三是接收機固有的誤差，如：內(nèi)部噪省、通道延遲、多路徑效應(yīng)。采用差分定位，可以完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差（視基準站至流動站的距離）。

8 GPS系統(tǒng)應(yīng)用

8.1 導航：GPS能以較好精度瞬時定出接收機所在位置的三維坐標，實現(xiàn)實時導航，因而GPS可用于海船、艦艇、飛機、導彈、出租車、交通車輛定位、110、120、119 等。

8.2 授時。

8.3 高精度、高效率的地面測量。

8.4 氣象研究。

結(jié)束語

GPS全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System)在公路工程測量中不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等的應(yīng)用，大大提高工作及成果質(zhì)量。在最近的兩年得到了迅速推廣，這主要依賴于GPS系統(tǒng)可以向全球任何用戶全天候地連續(xù)提供高精度的三維坐標、三維速度和時間信息等技術(shù)參數(shù)。

[1]吳小進等譯.GPS理論與實踐[J].電子工業(yè)部二十所，1997.

[2]王廣運，郭秉義，李洪濤.差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版，1996.

[3]吳朝陽，許志華.GPS測量原理及應(yīng)用簡介.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院[J].科教文匯(上旬刊)，2009.06.10.