定位基本原理和方法

2.3.2　GPS定位基本原理和方法

2.3.2.1　GPS定位基本原理

GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，GPS接收机以量测无线电信号的传输时延或相位差来量测距离(如图2-3-2所示)。主要采用两种方法:一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量;一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最高。利用GPS接收机测量每颗卫星至GPS接收机机间的距离，观测4颗或4颗以上的卫星到GPS接收机之间的距离就可通过空间后方交会的方法推算出接收机的三维位置和接收机钟差。

GPS定位的几何原理是:GPS卫星不断地传送轨道信息和卫星上的原子钟产生的精确时间信息，GPS接收机上有一个专门接收无线电信号的接收器，同时也有自己的时钟。当接收机收到一颗卫星传来的信号时，接收机可以测定该卫星离用户的空间距离，用户就位于以观测卫星为球心、以观测距离为半径的球面与地球表面相交的圆弧的某一点;当GPS接收机观测到第二颗卫星的信号时，以第二颗卫星为球心，以第二个观测距离为半径的球面也与地球表面相交为一个圆弧，上述两个圆弧在地球表面会有两个交会点，还不能确定出用户唯一的位置;当GPS接收机观测到第三颗卫星的信号时，以第三颗卫星为球心，以第三个观测距离为半径的球面也与地球表面相交为一个圆弧，上述三个圆弧在地球表面相交于一点，该点即为GPS用户所在的位置。如果没有钟误差，用户接收机只要利用接收观测到的3颗卫星的距离观测值，就可以唯一确定出用户所在的位置。但由于GPS接收机的钟有误差，从而会使测得的距离含有误差，所以定位时要求接收机至少观测到4颗卫星的距离观测值才能同时确定出用户所在空间位置及接收机钟差。当GPS接收机观测到4颗以上的卫星信号时，就可以得到更为精确和可靠的位置、速度和时间信息。

图2-3-2　GPS定位原理示意图

2.3.2.2　GPS测量定位常用方法

1.GPS静态相对定位

GPS静态相对定位是指利用两台及以上的接收机进行同步的静态观测，以获得测站点之间的高精度位置坐标差，以确定测站点高精度的地心坐标的一种定位方法。GPS静态相对定位已被广泛应用于建立高精度的全球性及国家大地测量控制网，提供高精度的地心坐标及快速测定各级控制点的坐标。GPS在布设控制网方面具有全天候作业、测量精度高、观测时间短、选点灵活、不需要造标、费用低等诸多优点。采用GPS布设一般等级的控制网时，在每个测站上的观测时间一般在1～2h，采用快速静态定位的方法，观测时间更短。外业观测和内业数据处理高度自动化。目前，GPS静态定位在测量中被广泛地用于大地测量、工程测量、地籍测量、物探测量及各种类型的变形监测等，在以上这些应用中，其主要还是用于建立各种级别、不同用途的控制网。

2.差分GPS定位

根据差分GPS基准站发送的信息方式，可将差分GPS定位分为三类，即位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

3.RTK技术

常规的GPS测量方法，如静态测量、快速静态测量、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK(real-time kinematic)是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到1s。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态;可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在模糊度固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。

RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。