GPS定位模式分析

姚阿强 刘建军

1.阿拉善盟国土资源信息中心 巴彦浩特 013250

2.内蒙古自治区航空遥感测绘院 呼和浩特 010020

1.引言

GPS（全球定位系统）是以卫星为基础的无线电导航定位系统，广泛运用在交通、运输、测绘、通信、军事、石油勘探、农林渔业、时间比对、大气研究、气象预报、地质灾害的监测和预报等部门和领域中有广泛的应用前景。GPS系统的出现使测绘地理信息行业产生了一场深刻的变革，促进了测绘地理信息行业的整体进步。

GPS系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。虽然GPS系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展，各类GPS接收机和处理软件纷纷涌现出来。目前在中国市场上出现的接收机主要有TRIMBLE、徕卡、拓普康、南方、中海达、华测等。能对两个频率进行观测的接收机称为双频接收机，只能对一个频率进行观测的接收机成为单频接收机，他们在精度和价格上均有较大区别。

国际GPS大地测量和地球动力学服务IGS自1992年起，已在全球建立了多个数据存储及处理中心和百余个常年观测的台站，我国也设立了上海余山、武汉、西安、拉萨、台湾等多个常年观测台站，这些台站的观测数据每天通过INTERNET网传向美国的数据存储中心，IGS还几乎实时地综合各数据处理中心的结果，并参与国际地球自转服务IERS的全球坐标参考系维护及地球自转参数的发布。使用者也可免费从INTERNET网上取得观测数据及精密星历等产品。

2.GPS定位组成和工作原理

GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，有地面上用户接收机实时的连续接收信号，并计算出接收机天线所在的实际位置，所以GPS定位系统由三个方面组成为空间部分GPS卫星星座、地面控制部分地面监控系统和用户设备部分GPS信号接收机，这三方面都各自有工作的独立功能和作用，对于整个运行系统来说，他们都是不可缺少的。

GPS定位工作原理，当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS星号，具有变化、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内接收软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件系统。接收设备加数据处理系统，才是完整的GPS信号用户设备。

3.GPS定位模式

3.1 GPS定位的基本概念

静态定位：在定位过程中，GPS接收机的天线位置时固定的且处于静止状态。其特点是观测时间长，重复观测多；定位可靠性强、精度高。主要用于等级控制测量和精密监测工作中。如监测地球板块运动、地壳形变、地震等，在大的测绘项目中进行大地控制测量。

动态定位：在定位过程中，GPS接收机的天线处于运动状态。其特点是能实时的测得运动载体的位置，多余观测少、定位精度低。目前广泛用于飞机、船舶、车辆等载体的导航中。

绝对定位（单点定位）：使以地球的质量中心为参照点，用一台GPS接收机观测（至少3颗卫星），独立确定观测点在WGS-84（世界）坐标系中的绝对位置（经纬度和高度）。其特点是组织实施简单，但定位精度低。

相对定位：以地面某固定点为参考点，利用两台以上的GPS接收机，同时观测一组卫星，确定各观测点在WGS-84坐标系中的相对位置或基线向量。其特点是定位精度高，但外业组织实施和内业计算复杂（需要大量的基线处理和选择独立基线）。

3.2 GPS定位组合模式

静态绝对定位，它的实施方法有伪距法定位和载波相位测量法定位；首先伪距法定位的直接观测值是卫星接收机（星站）的伪距（ā），在这个伪距中加上卫星钟差（-CV-ta）、接收机钟差（-CVtb）、电离层误差（δρiom）和对流层误差（δρtrop）这四个改正数，就获得星站间的实际距离（а），为解算出这四个改正数，一台接收机任一时刻必须收到四颗卫星（唯一解），接收卫星数大于四颗时（由多余观测），平差计算出改正数的最或是值。载波相位测量定位的直接观测值是相位（整数周加小数部分），某一瞬间的载波相位测量值是指瞬间接收机所产生的基准信号的相位{φ（τb）-φ(τb)}可计算出瞬间的星战距离ρ。

即，ρ=λ×{φ（τb）-φ(τa)}。

λ—波长。现今，载波相位测量距离的精度可达1mm～2mm。

静态相对定位，用两台GPS接收机安放在基线的两端点静止不动，同时观测相同的4颗以上的卫星，来确定基线两端的位置，这种定位模式称为静态相对定位。实际工作中，至少用3台以上的接收机，同时测定N(N-1)/2条基线（N是接收机台数）。如2台同时观测仅得1条基线，3台同时观测能得3条基线（三角形边），4台同时观测能得6条基线（四边形边和对角线）。这是目前首级控制测量的主要方法。

动态绝对定位（单点动态定位），是用安设在一个运动载体上的GPS接收机，自主的测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹。如今的车载导航系统，打开、设定目的地并开始导航后，就可看到行车所在地图上的位置。

动态相对定位，首先实时差分动态定位：是用安设在一个运动载体上的GPS接收机和安设在基准点上的另一台GPS接收机，之间通过无线电数据传输，联合测得该运动载体的实时位置，从而描绘出该运动载体的运行轨迹。GPS RTK定位技术广泛应用于工程测量和数字测量图中，所测的三维实时坐标精度可达厘米级。现今大比例尺（1∶500、1∶1000、1∶2000）数字测图的图根控制测量采用，1∶10000航测的像片控制测量也采用。

3.3 GPSRTK定位测量的工作方式

a.在基准站安置GPS接收机，进行基准站设置；

b.进行流动站设置：

c.在至少3个公共点上，求GPS坐标与适用坐标之间的转换参数（点校正）；

式中：X、Y、Z-当地坐标系中的实际（适用）坐标，x、y、z-RTK测出的坐标，ΔxΔyΔz-坐标平移参数αβγ-坐标旋转参数，m-缩放参数，中间3×7的矩正是转换系数阵。用2个平高、1个高程公共点，代入上式（列出7个方程），解出7个转换参数（唯一解）；用3个平高公共点带入，可列出9个方程，平差解出7个参数的最或是值。获得7个转换参数（平移、旋转、缩放）后，将RTK每测出1个点的坐标xyz，带入上式求出该点的适用坐标xyz。这是原理，实际是将新参数重新置入RTK中即可（RTK直接显示适用坐标）。

d.实测流动点坐标，将其与检测点的已知坐标进行对比，相差应在允许范围内；

e.流动站继续进行未知点的测量工作。现今，利用各地区建立的GNSS连续运行参考站（惯称CORS基准站）数据，在一个CORS站附近50公里的范围内，任意位置支好RTK接收机进行接收，用手机的蓝牙通讯和CORS站相连，实现数据连接后几秒钟就可获得的该RTK位置的准确坐标和高程。即，利用CORS站数据进行图根控制测量或普通工程控制网的建立方便极了。

4.结束语

目前GPS系统的应用已经十分广泛，我们可以运用GPS信号进行海、空和陆地的导航，用于建立高精度的大地控制网，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，用于测定航空摄影瞬间相对位置的定位测量，用于监测地球板块运动状态和地壳形变，用于工程测量成为建立城市与工程测量控制网的主要手段，用于快速成图等等；所以有必要对GPS定位模式进行分析以便我们在应用中得到准确地把握测量定位规律。

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社.110-112.

[2]乔仰文，赵长胜，夏春林等.GPS卫星定位原理及其在测绘中的应用[M]北京：科学教育出版社.2003.73-78.

[3]王敬，地形测量外业基础教程，呼和浩特：内蒙古出版集团内蒙古人民出版社，2013.12.

[4]曹志忠、褚立国、高宝明、齐林梅，西部资源2013年4月第二期，呼和浩特：《西部资源》杂志社出版，2013.4.