GPS概述及其定位原理

GPS概述及其定位原理

1．概述

　　五十年代未，原蘇聯發射了人類的第一顆人造地球衛星，美國科學家在對其的跟蹤研究中，發現了多普勒頻移現象，並利用該原理促成了多普勒衛星導航定位系統TRANsIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導航定位史上的一次飛躍，我國也曾引進了多臺多普勒接收機，應用於海島聯測、地球勘探等領域。但由於多普勒衛星軌道高度低、信號載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大地測量或工程測量的要求，更不可能用於天文地球動力學研究。為了提高衛星定位的精度，美國從1973 年開始籌建全球定位系統GPS （Global Positioning System)。在進過了方案論證、系統試驗階段後，於1989年開始發射正式工作衛星，並於1994年全部建成，投入使用。GPS系統的空間部分由21顆衛星組成，均勻分佈在6個軌道面上，地面高度為20000餘公里，軌道傾角為55度，扁心率約為0，週期約為12小時，衛星向地面發射兩個波段的載波信號，載波信號頻率分別為1575.442兆 赫茲（L1波段）和1227.6兆赫茲（L2波段），衛星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩定性，在載波上調製有表示衛星位置 的廣播星歷，用於測距的C/A碼和P碼，以及其他系統資訊，能在全球範圍內，向任意多用 戶提供高精度的、全天候的、連續的、實時的三維測速、三維定位和授時。

　　GPS系統的控制部分由設在美國本土的5個監控站組成，這些站不間斷地對GPS衛星進行觀測，並將計算和預報的資訊由注入站對衛星資訊更新。

　　 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接收機和處理軟體紛紛涌現出來。目前在中國市場上出現的接收機主要有NovAtel、ASHTECH、TRIMBLE、CMC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。

　　對於測繪界的用戶而言， GPS已在測繪領域引起了革命性的變化，目前，範圍上數公里至幾千公里的控制網或形變監測網，精度上從百米至毫米級的定位，一般都將GPS作為首選手段，隨著RTK技術的日趨成熟，GPS已開始向分米乃至釐米級的放樣、高精度動態定位等領域滲透。

　　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餘個常年觀測的臺站，我國也設立了上海餘山、武漢、西安、拉薩、台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，並參與國際地球自轉服務IERS的全球坐標參考係維護及地球自轉參數的發佈。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。

　　GPS系統的實時導航定位精度很高，美國在1992年起實行了所謂的SA政策，即降低廣播星歷中衛星位置的精度，降低星鐘改正數的精度，對衛星基準頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），後又實行了A-S政策，即將P碼改變為Y碼，即對精密偽距測量進一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國為了獲得更大的商業利益，這些政策終將被取消。

2．GPS定位原理

　　GPS接收機可接收到可用於授時的準確至納秒級的時間資訊；用於預報未來幾個月內衛星所處概略位置的預報星歷；用於計算定位時所需衛星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個衛星不同，隨時變化）；以及GPS系統資訊，如衛星狀況等。

　　GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由於含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤
差，故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。

　　GPS接收機對收到的衛星信號，進行解碼或採用其他技術，將調製在載波上的資訊去掉後，就可以
恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、並有一段連續觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優於米級的定位 精度也只能採用相位觀測值。

　　按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據一台接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式，它只能採用偽距觀測量，可用於車船等的概略導航定位。相對定位（差分定位）是根據兩台以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可採用偽距觀測量也可採用相位觀測量，大地測量或工程測量均應採用相位觀測值進行相對定位。

　　在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時（大氣有明顯差別），應選用雙頻接收機。

　　在定位觀測時，若接收機相對於地球表面運動，則稱為動態定位，如用於車船等概略導航定位的精度為30一100米的偽距單點定位，或用於城市車輛導航定位的米級精度的偽距差分定位，或用於測量放樣等的釐米級 的相位差分定位（RTK），實時差分定位需要數據鏈將 兩個或多個站的觀測數據實時傳輸到一起計算。 在定位觀測時，若接收機相對於地球表面靜止，則稱為靜態定位，在進行控制網觀測時，一般均採用這種 方式由幾臺接收機同時觀測，它能最太限度地發揮GPS的定位精度，專用於 這種目的的接收機被稱為大地型接 收機，是接收機中性能最好的一類。目前，GPS已經能 夠達到地殼形變觀測的精度要求，IGS的常年觀測臺站已經能構成毫米級的全球坐標框架。