全球定位系统(中英对照)

全球定位系统

第一节 GPS的原理概述

一、 全球定位系统GPS

GPS(Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Position System )，授时与测距导航系统/全球定位系统，简称GPS 全球定位系统，是随着现代科学技术的

迅速发展而建立起来的新一代卫

星导航和精密定位系统。GPS 全

球定位系统是由美国国防部于

1973年开始组织三军共同研制，

并于1993年基本完成。该系统由

空间星座、地面控制和用户接收

机三部分组成。

（一）全球定位系统组成

1.1 空间星座部分

GPS 空间星座部分由24颗

工作卫星和3颗备用卫星组成。

图1-1 全球定位系统卫星分布 工作卫星分布在6个轨道面内。

每个轨道面内分布有3～4颗卫

星，卫星轨道相对于地球赤道面

的倾角为55 ，轨道平均高度为

20200公里。卫星运行周期为11小时58分钟。因此，在同一测站每天出现的卫星布局大致相同，只是每天提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少4颗，最多11颗。这样布局可以保证地球上任何时间、任何地点至少可以同时观测到四颗以上的卫星。加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS 是一个全球性、全天候的连续实时的导航和定位系统。全球定位系统建成后，其工作卫星在空间的分布如图1-1所示。 GPS 卫星上安装有轻便的原子钟、微处理器、电文存储和信号发射设备，由太阳能电池提供电源，卫星上备有少量燃料，用来调节卫星轨道和姿态，并可在地面监控站的指令下，启动备用卫星。

1.2 地面监控系统

GPS 地面监控系统由分布在全球的五个地面站组成。其中1个主控站，3个注入站。五个监控站均为数据自动采集中心，配有双频GPS 接收机、高精度原

子钟、环境数据传感器和计算设备，并为主控站提供各种观测数据。主控站（位于美国科罗拉多）为系统管理和数据处理中心，其主要内容是利用本站和其它监控站的观测数据推算各卫星的星历、卫星钟差和大气延迟修正参数，提供全球定位系统的时间基准，并将这些参数传入注入站，调整偏离轨道的卫星至预定轨道，启用备用卫星代替失效卫星等。注入站将主控站推算和编制的卫星星历、卫星钟差、导航电文和其它控制指令等注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。除了主控站外，整个GPS 地面监控系统无人值守，各项工作高度自动化和标准化。

1.3 用户设备部分

用户设备包括GPS 接收机主机、天线、电源和数据处理软件所组成。主机的核心为微电脑、石英振荡器，还有相应的输入、输出接口和设备。在专用软件控制下，主机进行作业卫星选择、数据采集、处理和存储，对整个设备的系统状态进行检查、报警和部分非致命故障的排除，承担整个接收系统的自动管理。天线通常采用全方位型的，以便采集来自各个方位的，任意非负高度角的卫星信号。由于卫星信号微弱，在天线基座中有一个前置放大器，将信号放大后，再用同轴电缆输入主机。电源部分为主机和天线供电，可使用经过整流、稳压后的市电，也可以使用蓄电池。

二、GPS 全球定位系统信号

GPS 卫星发射的是一对相干波L 1和L 2，波长和频率分别为

f L 1=1575. 42M H Z , λL 1=19cm

λL 2=24cm f L 2=1227. 60M H Z ,

L 1和L 2作为载波载有两种调制信号，一类为导航信号，另一类为电文信号。导航信号又分为码率为1. 023Mb S ，频率为λC /A =293m 的粗码（C/A码）和码λ=29. 3m 率为10. 23Mb S ，频率为P 的精码（P 码）。粗码（C/A码）信号编码每1

1m s 重复一次，可以快速捕捉信号，按设计用于粗略定位；精码（P 码）码信号编码每七天重复一次，且各颗卫星不同，结构十分复杂，不易捕捉，但可以用于精确定位。电文信号同时以50bit 的速率调制在载波L 1和L 2上，内容包括卫星星历表、各项改正数和卫星工作状态。通过电文信号，接收机可以选择图形最佳的一组信号进行观测，以利于定位数据处理。

第二节 GPS定位方法

一、 GPS定位方法分类

（一) 静态定位和动态定位

按GPS 定位方式可分为静态定位和动态定位。

1 静态定位

如果待定点相对于周围的固定点没有可以察觉的运动，或者运动十分缓慢以至于需要几个月或几年才能反映出来，即认为待定点相对于地球坐标系中是固定不动的，这种待定点的坐标确定方法称为静态定位。在静态定位的数学模型中，待定点的位置是作常数来处理的。由于GPS 的“快速解算整周期未知数”技术的出现，静态作业的时间已缩短至几分钟，因此，除了原先的大地测量及地球动力监测方面的应用外，快速的静态定位已广泛地应用到普通测量和工程测量中。

2动态定位

车、船、飞机和航天器运动中，人们往往需要知道它们的实时位置。在这些运动载体上安装GPS 接收机，实时测得GPS 接收信号天线所在的位置，称为GPS 动态定位。如果不仅测得运动载体的实时位置，还测定其运动速度、时间和方位等状态参数，从而引导该物体向预定方位运动，称为导航。GPS 导航实质上也是动态定位。

（二) 绝对定位和相对定位

根据确定GPS 接收机在地球坐标系位置的不同，可分为单机的绝对定位和多机的相对定位，如图2-1。

图2-1 绝对定位和相对定位

1 绝对定位

绝对定位是确定独立待定点在地球坐标系中的位置。由于单点绝对定位受接收卫星信号时误差的影响，精度较低。主要用于低精度的动态定位，如船舶、飞机的导航，地质矿产资源的调查研究，海洋捕捞等及确定相对定位时的初始值。

2 相对定位

相对定位是确定同步跟踪相同GPS 信号的若干台接收机之间的相对位置的一种方法。由于采用同步观测，各同步站获得信号的许多误差是相同的或大致相同的（如卫星时钟误差、星历误差、信号的大气传播误差等），可以消除或减弱这些误差，获得很高的相对位置。相对定位中，

信号观测与数据处理比绝对定位

复杂，相对定位获得的是各同步站间的基线向量（三维坐标差），因而至少需要一个观测点为已知点才能求出其余各点的坐标。静态定位和动态定位都可采用相对定位，例如地球变形测量、无地面控制航空摄影测量等。

在动态定位中，常采用“差分”的方法，将一台GPS 接收机置于已知坐标的基准点上，其余接收机安置在运动载体上，所有的接收机同步观测，根据已知控制点的定位结果，将位置改正数实时传给流动站，以提高定位精度。这是一种基于单点定位和相对定位的定位模式。

（三) 伪距法和载波相位法

GPS 卫星定位，根据处理信号的不同，又可以分为伪距法和载波相位法。 1 伪距法

其定位原理简单。定位时，接收机本机振荡产生与卫星发射信号相同的一组测距码（P 码或C/A码），通过延迟器与接收机收到的信号进行比较，当两组信号彼此完全重合（相关）时，测出本机信号延迟量即为卫星信号的传输时间，加上一系列的改正后乘以光速，得出卫星与天线相位中心的斜距。如果同时观测了四颗（或以上）卫星，即可以按距离交会法算出测站的位置和时钟误差四个未知数。由于测距码的波长λP =29. 3米，λC /A =293米。以百分之一的码元长度估算测距分辩率，只能分别达到0.3米（P 码）和3米（C/A码）的测距精度。因此，伪距法的精度是比较低的。

2 载波相位法

是把载波作为量测信号，对载波进行量测，确定卫星信号和接收机参考信号的相位差，推算出相位观测值。然后采用和伪距法原理相同，求出测站的位置和时钟误差等。载波的波长λL =19厘米1，λL =24厘米2，比码元波长要短得多，以

百分之一的码元长度估算测距分辩率，分别达到1.9厘米（P 码）和2.4L 厘米（C/A码）的测距精度。在大地测量和精密空中三角测量中，为保证高精度，往往采用载波相位相对定位方法，以消除系统误差。

载波相位法测量完整的相位观测值ϕ由几个部分组成：

~ ϕ=ϕS -ϕR =N 0+ϕ=N 0+Int (φ) +F R (φ) (2-1）

式中：ϕS 为卫星首次观测S 处的相位，ϕR 为接收机观测R 处的位置相位；~ϕ为实际相位观测值；N 0为整周期数，也称整周期未知数；Int(φ) 为t 时刻实际观测值的整数部分，对于首次观测t 0时值为零，其余各次观测中由t 0时刻开始，通过计数器连续计数后累计，称为整周期计数；F R (φ) 为实际观测值中的不足整数部分，以很高的精度测定。

二 GPS 定位作业方式

GPS 定位主要包括GPS 实时（导航）定位、事后处理的动态定位和用于测量的静态（或准动态）相对定位等几种。

1 GPS 动态定位

GPS 实时（导航）定位是要求观测和处理数据在定位的瞬间完成，其主要目的是导航。如前所述，绝对定位（单点定位）受到美国政府实施的“SA ”（选择可用性）和“AS ”（反电子欺骗）技术的影响，采用民用标准定位服务的GPS 定位水平位置精度为100米左右。因而多数用户采用差分GPS 系统（CDGPS 和W ADGPS ）来提高定位精度。伪距法CDGPS 的主站和用户站的作用距离在100公里以内，精度为5～10米。载波相位法CDGPS （也称RTK ）的主站和用户站的作用距离在30公里以内，精度为厘米级。而W ADGPS 则是大范围内建立多个已知坐标的主站和副站，主站通过数据链从副站接收各类误差源，计算三项改正后通讯传给用户站，伪距法W ADGPS 的定位精度约为1～3米，优于CDGPS 。并且主站与副站的距离可达1000公里以上。

2 事后处理的动态定位

这是一种载波相位的动态定位技术。通常一台接收机安置在地面已知点上，而另一台（或多台）接收机置于高速运动的物体上，各站同步观测，事后根据两者间的载波相位差确定运动物体相对于已知点的位置。其特点是主站与用户站之间无须进行实时数据的传输，两者间的距离也少受限制。但是在高速运动的物体上如何确定整周未知数N 0及整周跳变的问题是其技术难点。近年来出现的GPS 动态初始化技术OTF (On the Fly)大大提高了事后处理的动态定位的实用性。它的定位精度可达厘米级。主要适用与低轨道卫星的厘米级的精密星载GPS 定位，航空摄影测量、航空重力测量、磁力测量中的确定测量瞬间的空中三维坐标的厘米级的机载GPS 定位技术。

3 用于地面测量的静态（或准动态）相对定位

这是一种载波相位的相对定位技术。一般有三种定位模式：

静态相对定位 利用两套（及以上）的GPS 接收机，分别安置在每条基线的端点上，同步观测四颗以上的卫星0.5～1小时，基线的长度在20公里以内。各基线构成网状的封闭图形，事后经过整体平差处理，其精度可达5mm +1ppm ⋅D 。适用于精度要求较高的国家级大地控制测量、地球形变监测等等。

快速静态相对定位 在测区中部选一个基准站，用GPS 接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机依次到各流动站对5颗以上的卫星同步观测1～2分

钟，各流动站到基准站的基线的长度在15公里以内，构成以基准站为中心的放射图形。事后处理后其精度可达5mm +1ppm ⋅D ，但是可靠性较差。适用于小范围的控制测量、工程测量和地籍测量等等。

准动态相对定位 在测区内选一个基准站，用GPS 接收机连续跟踪所有可见卫星，另一台接收机首先在起始站点对5颗以上的卫星同步观测1～2分钟，然后保持对所有卫星的连续跟踪的情况下，流动到各观测站观测数秒钟，各流动站到基准站的基线长度在15公里以内。其特点是各流动站必须保持相位锁定。万一出现失锁现象，必须在失锁后站点延长观测时间1～2分钟，以重新确定整周期未知数N 0和整周期计数Int(φ) 。准动态相对定位基线中误差可达1～2厘米，适合于工程测量、线路测量和地形测量等等。

第三节 GPS定位技术的应用

一 GPS在工程技术中应用

对于测绘领域，GPS 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳变形；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量的地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

在大地测量方面，利用GPS 技术开展国际联测，建立全球性的大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面。这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。

在工程测量方面，应用GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田的沉降监测、大坝变形监测、高层建筑物变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS 实时动态定位技术（简称RTK ）测绘各种比例尺地形图和用于工程建设中的施工放样。

在航空摄影测量方面，测绘工作者也应用GPS 技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS 航测等航测成图的各个阶段。

在地球动力学方面，GPS 技术用于全球板块运动监测和区域板块的运动监测。

全球定位系统（GPS ）技术已经用于海洋测量、地下地形测绘，此外，在军事国防、智能交通、邮电通信，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地

管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探测、姿态测定等领域，也都开展了GPS 技术的研究和应用。

二 GPS在科学研究中的应用

全球定位系统（GPS ）用于可移动定位，经济型方案时我们把服务中心直接转移到客户的手机上，客户直接用手机查看到定位短信息（GPS 度、分、秒数据格式），如果使用城际通电子地图软件，它直接支持输入GPS 度、分、秒数据定位的功能，如果用北京灵图的天新者5，可以借助GPS 定位大师专用软件中的手动输入经纬度功能进行定位，这个方案比较适合低频率查车。增强型方案时客户可以购买专用卫星定位管理主机，它不但可以自动接收多辆汽车定位短消息，而且自动分类保存在电脑内，每台车辆都建立一个数据库，轻点鼠标就能调出某辆车的全部定位记录，只要点击目标数据就能自动切换到电子地图上显示车辆的位置，点击前进或者后退按钮还能在电子地图上演示汽车的形式轨迹，每台车辆都可以取不同的名称，便于管理多辆汽车，非常方便，便于多车频繁查询。随着我国城市化的不断推进，城市规模的不断扩大，能够提供方便、快捷交通线路的智能交通信息综合服务系统，必将成为未来的发展趋势；另外，车载导航定位系统以及基于手机的移动定位服务，必将成为人们追求的潮流。今后，所有会动的东西，都将依赖于GPS 。GPS 将会像手机、互联网那样，对我们的生活产生极大的影响。因此，GPS 必将形成巨大的产业价值链，产生重大的社会经济效益。

三 GPS在新兴领域的应用

网络RTK 技术是RTK 技术发展的一个里程碑。该技术由若干个基站组成一个网络，同时建有一个中心站。各基站通过电信网络（光纤或DDN 专线）将观测数据传给中心站，中心站通过参考站数据及模型通过内差法解算得出改正信息并将其通过GSM/GPRS公众网络发送给用户，用户根据这些实时差分改正信息可获得比较高的定位精度。与传统RTK 技术相比，网络RTK 基站间距离可以比较长，四川地震局VRS 系统平均站间距超过60公里，一期建设最长基线曾一度超过90公里。这样，覆盖同样的区域只需要更少的基站就可以实现，成本可以大大降低。同时，网络的概念使模型解算更加可靠。传统RTK 系统中如果某个基站发生问题，则用户无法在该基站覆盖区内实施作业，在网络RTK 技术中则不存在这个问题，因为中心站会自动根据用户所处位置及各基站运行情况选择合适的基站进行运算。随着近代通讯技术、计算机存储技术及空间定位技术的高速

发展，测量手段和方式有了长足的进步。GPS 网络RTK 就是在这场信息变革中应运而生的全新的空间数据采集手段。它结合了现代通讯技术、信息网络分发技术、计算机存储及处理技术、虚拟参考站技术（VRS ）、以及现代大地测量技术。GPS 网络RTK 是多种先进技术的融合体，该系统为国家的基础设施建设提供便利条件。同时也为“数字城市”提供了实时可靠的数据源。