浅谈GPS技术的发展

鲁旺中

【摘 要】本文介绍了GPS技术的系统组成、特点、定位原理、发展等，希望在理论上对GPS技术应用与推广起到一定的推广作用，在实践上对测绘技术工作者具有一定的指导和借鉴意义等。

【关键词】GPS技术

前言：

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

一、GPS系统组成、特点及定位原理

（一）全球定位系统的整个系统由三大部分组成，即空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。

（二）GPS系统的特点

1.定位精度高

应用实践已经证明，GPS 相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，边长较差最大为0.5mm，校差中误差为0.3mm。

2.观测时间短

3.测站间无须通视

4.可提供三维坐标，能满足四等水准要求

5.操作简便携带方便

6.全天候作业

7.功能多、应用领域广

二、GPS系统的定位原理

卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。它广泛的应用于导航和测量定位工作中。

（一）绝对定位原理

它也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系（例如WGS-84坐标系）中，直接确定观测站，相对于坐标系原点绝对坐标的一种定位方法。"绝对"一词，主要是为了区别以后将要介绍的相对定位方法。绝对定位和相对定位，在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则上的区别。又分为测码绝对定位和测相绝对定位。

在1个观测站上，有4个独立的卫星距离观测量。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式如图：

四个方程式中x、y、z为待测点坐标，Vto为接收机的钟差为未知参数，其中di=c△ti，（i=1、2、3、4），di分别为卫星i到接收机之间的距离，△ti 分别为卫星i的信号到达接收机所经历的时间，xi、yi、zi为卫星i在t时刻的空间直角坐标，Vti为卫星钟的钟差，c为光速。

由以下四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。

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

（二）相对定位

相对定位的最基本情况，是两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点，在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。这种方法，一般可以推广到多台接收机安置在若干基线的端同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差，卫星钟差，接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，便可有效地消除或者减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。

1.静态相对定位

一般采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。它是当前GPS定位中精度最高的一种方法。在载波相位观测的数据处理中，为了可靠地确定载波相位的整周未知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1小时到3小时不等），此种方法一般也被称为经典静态相对定位法。

2.准动态相对定位法

基本思想：利用起始基线向量确定初始整周未知数或称初始化，之后，一台接收机在参考点（基准站）上固定不动，并对所有可见卫星进行连续观测；而另一台接收机在其周围的观测站上流动，并在每一流动站上静止进行观测，确定流动站与基准站之间的相对位置。通常称为准动态相对定位，又称走走停停（Stop and Go）定位法。

主要缺点：接收机在移动过程中必须保持对观测卫星的连续跟踪。

3.动态相对定位

用一台接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动载体上，两台接收机同步观测相同卫星，以确定运动点相对基准站的实时位置。

三、GPS技术的发展

（一）常规 RTK （ RealTimeKinematic） 技术

它是GPS技术与数据传输相结合而构成的实时动态定位技术， 主要由两部分组成， 即基准站和流动站。基准站连续把观测到的卫星数据发射出去， 流动站实时差分处理基准站和流动站的载波相位观测值， 获取所在点的坐标、高程和精度指标。

优缺点：常规RT K 定位技术虽然可以满足很多工程应用的要求， 但是还是具有其局限性和不足， 如距离不能太长， 当距离大于 50km 时， 常规 RTK 单历元解一般只能达到分米级的定位精度。

（二）网络RTK技术

网络 RTK 也称多基准站 RTK， 利用CORS各个参考站的观测信息，以CORS网络体系结构为基础，建立精确的差分信息解算模型，解算出高精度的差分数据，然后通过无线通信数据链路将各种差分改正数发送给用户。集Internet技术、无线通信技术、计算机网络管理技术和常规RTK定位技术于一体，已被广泛应用于基础测绘、城市规划建设等领域。

网络RT K 技术与常规 RT K 技术相比具有以下优势：

（1）优化了初始化时间、扩大了作业的范围（2）不需已知控制点、采用连续基站，可以随时观测，提高了工作效率（3）有效地消除了系统误差和周跳，增强了差分作业的可靠性（4）实现了单机作业，减少了费用（5）使用了固定可靠的数据链通讯方式，减少了噪声干扰（6）实现了资源的共享（7）拓展了GPS的应用范围。

四、小结

近年来GPS技术的发展的日新月异，常规虽然可以满足很多工程应用的要求， 但是还是具有其局限性和不足， 如距离不能太长， 当距离大于 50km 时， 常规 RTK 单历元解一般只能达到分米级的定位精度。尤其是网络RTK技术的发展，极大提高了测绘作业效率，极大节约了人力、物力与财力，具有非常广阔的应用前景，相信随着科学技术的进一步发展，将会有更深广的发展和应用。

【参考文献】

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