GPS的基本定位原理

GPS的根本定位原理简洁说，是电脑装上地图软件及放射及接驳器，而与天上之人造卫星接上，而得出物件之座标，此坐标是由电脑高速於格外短时间内算出，从而与地图连上再得出物件所在地点注地图软件是包含每一位置地点之座标什麽是GPS全球卫星定位系统GlobalPositionSystemGPS为美国国防部开发，利用规模普及全球的人造卫星之航法系统，由24颗人造卫星所构成，其中包括三颗预备卫星利用对民间开放的C/A码标准测法，能得到数十米的精度，为无线电定位法的一种卫星定位系统整体运作上可分成三部份太空局部、地面局部以及讯号局部太空局部目前GPS卫星已进展至BlockII型式的定位卫星，由RockwellInternational制造，在轨道上重量约1900磅，太阳能接收板长度约17IR预期寿命为

7.5年，於1994年完成第24颗卫星的放射，整个GPS系统正式宣告建构完成因此目前太空中有24颗GPS卫星可供定位运用，它们平均分布於6个轨道面，每个轨道面上各有4颗，距离地面高度约10900海里大约20000公里，呈55°角倾斜绕行地球运转，绕行地球一周需12恒星时，每日可绕行地球2周，这也就是说，不管任何时间，任何地点，包含北极，南极，至少有4颗以上的卫星消灭在我们的上空讯号局部GPS卫星产生两组随机电码，一组称为C/A码，一组称为P码C/A码主要开放给民间使用，因此在精度上刻意降低，P码则是美国国防部保存为其军事用途的电码，精度比C/A码高很多，因此设有密码，一般民间使用者无法解读一般而言，GPS卫星传送两种频率的载波，LILink1载波的频率为

1575.42MHZL2Link2载波的频率为

1227.60MHZ地面局部地面设施局部主要包含GPS监控站与使用者接收设备两部份监控站包括一个主要掌握站［MasterControlStation、五个监测站［MonitorStation一分布於夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多州、三个地面掌握站GroundControlStation等监测站主要负责追踪全部卫星的运行位置、时间、气象资料及电离层资料等，将每15秒观测到全部资料，计算出每15分钟一组的平滑化数据［SmoothedData传送到主掌握站后，由主掌握站加以统合，计算出卫星星历、时表修正量、电离层改正系数，再转换成导航讯息，以维护卫星系统的精度与正常运作，此部份由美国国防部负责，使用者无从了解也毋需了解此部份的技术使用者接收设备主要是一个卫星讯号接收器，依照不同的目的而有不同的定位力量，根本的功能是接收L1载波，分别出C/A电码，进展最简洁的虚拟距离定位，也是一般车辆定位所使用的机型其中必需留意的是GPS卫星产生两种不同的载波来承载全部电码与讯息，其中C/A码仅调置在L1载波上，P码则分别调置在L1与L2载波上，并区分为P1与P2电码，但美国军方目前仅开放C/A码仅民间使用而一般间使用之接收机可经由差分修正DGPS差分定位达151K或更加之准确度但使用DGPS讯号需付费，一般使用者应考量本钱及使用目地是否需要到如此精准如做汽车导航您所需要知道的是您的相对位置协作您所使用之电子地图，无需使用到那麽高精度之定位GPS的根本定位原理GPS的定位是利用卫星根本三角定位原理，GPS接收装置以测量无线电信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是一种高轨道与周密定位的观测方式假设卫星在11000英哩高处，测量我们的距离，首先以11000英哩为半径，以此卫星为圆心画一圆，而我们位置正处於球面上再假设其次颗卫星距离我们12000英哩，而我们正处於这二颗球所交集的圆周上现在我们再以第三颗卫星做周密定位，假设高度13000英哩，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点假设要获得更准确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从根本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离，在GPS的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩c的光速，而时间却短的惊人，甚至只要

0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置於卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是由于卫星从11000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从今延迟的时间X速度，就是接收器到卫星的距离，此即为GPS的根本定位原理1差分GPS定位技术及进展差分技术很早就被人们所应用它实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进展求差其目的在于消退公共项包括公共误差和公共参数在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用GPS是一种高精度卫星定位导航系统在试验期间，它能给出高精度的定位结果这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术进展较慢随着GPS技术的进展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源一电离层和对流层效应特别提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策使卫星的轨道参数增加了很大的误差，致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足因此，现在进展差分GPS技术就显得越来越重要GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星放射时间等观测量来实现的，同时还必需知道用户钟差因此，要获得地面点的三维坐标，必需对4颗卫星进展测量在这肯定位过程中，存在着三局部误差一局部是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；其次局部为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第二局部为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等利用差分技术，第一局部误差完全可以消退，其次局部误差大局部可以消退，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三局部误差则无法消退除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100mo在这种状况下，利用差分技术能消退这一局部误差，更显示出差分GPS的优越性差分GPSDGPS差分GPSDGPSdifferentialGPS-DGPS〕就是首先利用准确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户GPS导航仪〕，对用户的测量数据进展修正，以提高GPS定位精度*差分GPSDGPS分类依据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GE1定位分为三类，即位置差分、伪距差分和相位差分*差分GPSDGPS原理差分GPSDGPS是在正常的GPS外附加差分修正信号，此改正信号改善了GPS的精度这三类差分方式的工作原理是一样的，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展改正，以获得准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.位置差分原理这是一种最简洁的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进展三维定位，解算出基准站的坐标由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的坐标是不一样的，存在误差基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进展改正最终得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的状况位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的状况.伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术几乎全部的商用差分GPS接收机均承受这种技术国际海事无线电委员会推举的RTCMSC-104也承受了这种技术在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较利用一个o-B滤波器将此差值滤波并求出其偏差然后将全部卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距最终，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度与位置差分相像，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又消灭了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消退的用户和基准站之间的距离对精度有打算性影响.载波相位差分原理测地型接收机利用GPS卫星载波相位进展的静态基线测量获得了很高的精度10-6-10-8o但为了牢靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间这样就限制了在工程作业中的应用于是探求快速测量的方法应运而生例如，承受整周模糊度快速靠近技术1FARA使基线观测时间缩短到5分钟，承受准动态stopandgo来回重复设站re-occupation和动态kinematic来提高GPS作业效率这些技术的应用对推动周密GPS测量起了促进作用但是，上述这些作业方式都是事后进展数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避开消灭事后检查不合格造成的返工现象差分GPS的消灭，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中随之而来的是更加周密的测量技术一载波相位差分技术载波相位差分技术又称为RTK技术realtimekinematic是建立在实时处理两个测站的载波相位根底上的它能实时供给观测点的三维坐标，并到达厘米级的高精度与伪距差分原理一样，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进展实时处理，能实时给出厘米级的定位结果实现载波相位差分GPS的方法分为两类修正法和差分法前者与伪距差分一样，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进展求差解算坐标前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术载波相位差分原理测地型接收机利用GPS卫星载波相位进展的静态基线测量获得了很高的精度10-6-10-8o但为了牢靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长时间这样就限制了在工程作业中的应用于是探求快速测量的方法应运而生例如，承受整周模糊度快速靠近技术［FARA使基线观测时间缩短到5分钟，承受准动态stopandgo来回重复设站1re-occupation〕和动kinematic来提高GPS作业效率这些技术的应用对推动周密GPS测量起了促进作用但是，上述这些作业方式都是事后进展数据处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量，很难避开消灭事后检查不合格造成的返工现象差分GPS的消灭，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的要求位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各种作业中随之而来的是更加周密的测量技术一载波相位差分技术美国对GPS的SA和AS政策美国政府在GPS的最初设计中打算向社会供给两种效劳周密定位效劳（PPS）和标准定位效劳（SPS）周密定位效劳的主要对象是美国军事部门和其他特许民用部门使用C/A码和双频P码，以消退电离层效应的影响，使预期定位精度到达10m标准定位效劳的主要对象是宽阔的民间用户它只使用构造简洁、本钱低廉的C/A码单频接收机，预期定位精度只到达100m左右但是，在GPS试验阶段，由于提高了卫星钟的稳定性和改进了卫星轨道的测定精度，使得只利用C/A码进展定位的GPS精度到达14m利用P码的PPS的精度到达3m远远优于预期定位精度美国政府考虑到自身的安全，于1991年7月在BlockII卫星上实施SA和AS政策其目的是降低GPS的定位精度SA（SelectiveAvaibility）政策称为有选择可用性它包括在GPS卫星基准频率上增加了6技术和在导航电文上增加£技术两项措施所谓b技术就是对GPS卫星的基准频率施加高频抖动噪声信号而这种信号是随机的从而导致测量出的伪距误差增大所谓£技术，就是人为的将卫星星历中轨道参数的精度降低到200m左右总之，承受这两项技术后，使测量的GPS定位精度降低到原先估量的误差水平AS（Anti-Spoofing）政策称为反电子哄骗政策其目的是保护P码它将P码与更加保密的W码模2相加形成的Y码实施AS政策的目的在于防止敌方对P码进展周密定位，也不能进展P码和C/A码码相位测量的联合求解为抑制SA政策的影响，进展了差分GPS技术，依据差分GPS定位原理，现已建立和进展以下类型的差分系统

1、区域差分GPS系统利用两台GPS接收机（一台具有基准站功能）就可构成差分GPS定位系统目前应用最广的技术是伪距差分和相位平滑伪距差分，定位精度提高到±

1.5m一般作用范围为40km这一技术已经成为差分GPS的最主要的技术手段为了提高定位精度和保持伪距差分的牢靠性，消灭了准载波相位差分GPS定位精度可到达50cm成为1500大比例尺水深测图、疏浚、抛石等工程的有力手段

2、RBN/DGPSo这是交通部在我国沿海区域建立的无线电指向标/差分全球定位系统整个系统由均匀分布在沿海的21个台站组成，为我国沿海供给差分GPS的24h效劳，使用户在300km海疆内接收差分信号，得到5-10m的定位精度用户只要拥有一台信标GPS接收机，就可利用这一免费信号资源，进展实时差分定位此技术正在得到大力推广

3、广域差分GPS系统它是利用分布在全世界或全国各地的基准站对GPS进展连续观测，从而计算出卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和电离层改正数利用专用大功率电台或专用卫星将这些改正数发送给用户用户利用这些改正数对测得的观测量进展修正，最终计算出点位坐标，精度可到达这样的差分方式定位精度不受距离限制目前，用户只要拥有一台广域差分GPS接收机就可接收香港上空Omistar卫星的广域差分信号进展周密定位，但属付费应用为了应付AS政策，承受了一种称为P-W技术和L1与L2穿插相关技术，恢复出L2载波相位观测值这一技术不要求知道W码的构造，只要求知道W码的定位信息，于是抑制了保密P码的AS影响这种定位信息可由试验方法测定出近似值即可由Z跟踪技术提取Y码，能获得LIL2载波全波的观测量这种方法猎取数据的信噪比是很高的，比相关接收提高了13dB比平方技术提高了16dB甚至比码相关技术提高了3dBo这样，使得GPS静态相对定位的精度跨入了毫米量级。