GPS测量原理探讨

摘要：本文主要介绍了GPS的组成，并概述了GPS的基本工作原理。

关键词：GPS；坐标系统；原理；误差

中图分类号：TU6 文献标识码：A

1 GPS简介

GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。它具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。

2 GPS的组成

1973年12月，美国国防部正式批准陆海军三军共同研制导航全球定位系统-全球定位系统（GPS）。1994年进入完全运行状态；整套GPS定位系统由三个部分组成的，即由GPS卫星组成的空中部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。

2.1 空间卫星部分

GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为用于导航的卫星，3颗为活动备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为550，高度约为20200公里的高空轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。完整的工作卫星星座保证在全球各地可以随时观测到4-8颗高度角为150以上的卫星，若高度在50则可达到12颗卫星。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作。

2.2 地面监控部分

GPS的控制部分由分布在全球若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。

2.2.1 主控站的作用：主控站拥有大型电子计算机，用作为主体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等工作。

2.2.2 监控站的作用：监控站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。

2.2.3 注入站的作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS发送给广大用户。

2.3 用户接收部分

GPS用户部分由GPS接收机（移动站、基准站等）、数据处理软件及相应用户设备。

3 GPS信号

GPS导航定位系统属于无线电导航定位系统，用户只需通过接收设备接收卫星播的信号就能测定卫星信号传播时间延迟或相位的延迟，解算出接收机与GPS卫星间的距离（称为伪距），确定接收机位置。

GPS卫星发射两种频率的载波信号――伪随机码，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23HMz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：C/A码又被称为粗捕获码、P码又被称为精码、P码与W码进行模二相加生成保密的Y码。

4 GPS误差

利用GPS定位时，GPS卫星播发的信号受各种因素影响，使得测量结果产生误差，精度下降。影响GPS定位精度的因素可分为下列几个方面：

4.1 与GPS卫星有关的因素：SA政策、卫星星历误差、卫星星历、卫星钟差、地球自转的影响、发射天线相位中心偏差。

4.2与信号传播途径有关的误差：电离层延迟、对流层延迟、多路径效应。

4.3仪器本身的误差：接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、接收机软件和硬件造成的误差。

4.4其他方面的影响：GPS控制部分人为或计算机造成的影响、数据处理软件的影响。

5坐标系统

5.1坐标系的分类

所谓坐标系指的是描述空间位置的表达形式，即采用什么方法来表示空间位置。在测量中，常用的坐标系有以下几种：空间直角坐标系、空间大地坐标系、平面直角坐标系。

5.2 GPS测量中常用的坐标系统：WGS-84坐标系、1954年北京坐标系、1980年西安大地坐标系。

6 GPS卫星定位基本原理

测量学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。

将无线点信号发射台从地面点搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理，便可由3个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三个以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。

在GPS定位中，GPS卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化着。需要实时的GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时的卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与方法主要有位距法定位，载波相位测量定位以及差分GPS定位等。对于待定点来说，根据其运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位。

7差分原理

差分技术很早就被人们所应用。比如相对定位中，在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差；过在两个测站上对用一个目标进行观测，将观测值求差；或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差。其目的是消除公共误差，提高定位精度。利用求差后的观测值解算两观测站之间的基线向量，这种差分技术已经用于静态相对定位。

GPS定位中，存在着三部分误差：一是多台接收机公有的误差，如：卫星时钟差，星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有的误差，如：内部噪省、通道延迟、多路径效应。采用差分定位，可以完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差（视基准站至流动站的距离）。

8 GPS系统应用

8.1导航：GPS能以较好精度瞬时定出接收机所在位置的三维坐标，实现实时导航，因而GPS可用于海船、舰艇、飞机、导弹、出租车、交通车辆定位、110、120、119等。

8.2授时。

8.3高精度、高效率的地面测量。

8.4气象研究。

结束语

GPS全球定位系统（Global Positioning System)在公路工程测量中不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等的应用，大大提高工作及成果质量。在最近的两年得到了迅速推广，这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天候地连续提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息等技术参数。