淺談GPS技術(shù)的發(fā)展

魯旺中

【摘 要】本文介紹了GPS技術(shù)的系統(tǒng)組成、特點、定位原理、發(fā)展等，希望在理論上對GPS技術(shù)應(yīng)用與推廣起到一定的推廣作用，在實踐上對測繪技術(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?？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)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報搜集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)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(wèi)星星座己布設(shè)完成。

一、GPS系統(tǒng)組成、特點及定位原理

（一）全球定位系統(tǒng)的整個系統(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

1.定位精度高

應(yīng)用實踐已經(jīng)證明，GPS 相對定位精度在50km以內(nèi)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(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)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)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(yīng)用于導(dǎo)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(xié)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(qū)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(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(wèi)星距離觀測量。假設(shè)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(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)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(shù)，其中di=c△ti，（i=1、2、3、4），di分別為衛(wèi)星i到接收機之間的距離，△ti 分別為衛(wèi)星i的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間，xi、yi、zi為衛(wèi)星i在t時刻的空間直角坐標，Vti為衛(wèi)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(wèi)星，以確定基線端點，在協(xié)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(wèi)星的情況下，衛(wèi)星的軌道誤差，衛(wèi)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(guān)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(tài)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(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(jīng)典靜態(tài)相對定位法。

2.準動態(tài)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(shù)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(wèi)星進行連續(xù)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(tài)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(wèi)星的連續(xù)跟蹤。

3.動態(tài)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(wèi)星，以確定運動點相對基準站的實時位置。

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)成的實時動態(tài)定位技術(shù)， 主要由兩部分組成， 即基準站和流動站?；鶞收具B續(xù)把觀測到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)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(yōu)缺點：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， 當距離大于 50km 時， 常規(guī) RTK 單歷元解一般只能達到分米級的定位精度。

（二）網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

網(wǎng)絡(luò) RTK 也稱多基準站 RTK， 利用CORS各個參考站的觀測信息，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數(shù)據(jù)，然后通過無線通信數(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)、無線通信技術(shù)、計算機網(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：

（1）優(yōu)化了初始化時間、擴大了作業(yè)的范圍（2）不需已知控制點、采用連續(xù)基站，可以隨時觀測，提高了工作效率（3）有效地消除了系統(tǒng)誤差和周跳，增強了差分作業(yè)的可靠性（4）實現(xiàn)了單機作業(yè)，減少了費用（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， 當距離大于 50km 時， 常規(guī) RTK 單歷元解一般只能達到分米級的定位精度。尤其是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的發(fā)展，極大提高了測繪作業(yè)效率，極大節(jié)約了人力、物力與財力，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，相信隨著科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，將會有更深廣的發(fā)展和應(yīng)用。

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