全球定位系統(tǒng)

1．什么是全球定位系統(tǒng)（GPS）
全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem-GPS）是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國(guó)測(cè)繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。
全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,縮寫GPS)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機(jī)三大部分組成。
按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分，分布在六個(gè)軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?br>地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控間、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。
全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

2．GPS系統(tǒng)包括三大部分：
空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分-GPS信號(hào)接收機(jī)。
GPS衛(wèi)星星座；GPS工作衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行二周，即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。這樣，對(duì)于地面觀測(cè)者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)，為了結(jié)算測(cè)站的三維坐標(biāo)，必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測(cè)過程中的幾何位置分布對(duì)定位精度有一定的影響。對(duì)于某地某時(shí)，甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)，這種時(shí)間段叫做"間隙段"。但這種時(shí)間間隙段是很短暫的，并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)牡己蕉ㄎ徊飭俊?GPS工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。地面監(jiān)控系統(tǒng):對(duì)于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷-描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)-GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。
GPS信號(hào)接收機(jī):GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，位置，甚至三維速度和時(shí)間。靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來說，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上，接收單元置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。
GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過程中，機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。
近幾年，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)。各種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí)，其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5mm+1PPM.D，單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級(jí)至厘米級(jí)。目前，各種類型的GPS接收機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測(cè)。GPS和GLONASS兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問世。

3．GPS如何定位
GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)未來幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。
GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì)0A碼測(cè)得的偽距稱為UA碼偽距，精度約為20米左右，對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱為P碼偽距，精度約為2米左右。
GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)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(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用相位觀測(cè)值。
按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。
在GPS觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)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(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)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(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。
在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位，如用于車船等概略導(dǎo)航定位的精度為30一100米的偽距單點(diǎn)定位，或用于城市車輛導(dǎo)航定位的米級(jí)精度的偽距差分定位，或用于測(cè)量放樣等的厘米級(jí)的相位差分定位（RTK），實(shí)時(shí)差分定位需要數(shù)據(jù)鏈將兩個(gè)或多個(gè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭黄鹩?jì)算。在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位，在進(jìn)行控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，一般均采用這種方式由幾臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，它能最太限度地發(fā)揮GPS的定位精度，專用于這種目的的接收機(jī)被稱為大地型接收機(jī)，是接收機(jī)中性能最好的一類。
目前，GPS已經(jīng)能夠達(dá)到地殼形變觀測(cè)的精度要求，IGS的常年觀測(cè)臺(tái)站已經(jīng)能構(gòu)成毫米級(jí)的全球坐標(biāo)框架。

4．什么是RTK技術(shù)
常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（Real-timekinematic）方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。
高精度的GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)不到一可秒鐘。流動(dòng)站處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。
RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)（偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)，數(shù)據(jù)量比較大，一般都要求9600的波特率，這在無線電上不難實(shí)現(xiàn)。