GPS的工作原理与作用解析

GPS的定位方式较多，在工程测量中用户可以根据不同的用途和要求采用不同的定位方法，GPS的定位方式可以依据不同的标准进行分类。

1.伪距定位和载波相位定位

根据采用定位信号（测距码或载波）的不同，可分为伪距定位和载波相位定位。

（1）伪距定位采用的观测值为GPS伪距观测值。其既可以是C/A 码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，非常容易实现实时定位；缺点是C/A 码伪距观测值的精度一般为3m，精度较低；P码伪距观测值的精度一般也在30cm 左右，定位成果精度稍高，但存在AS问题（美国国防部对GPS卫星的P码采取的保密防卫性措施）。

（2）载波相位定位采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2 载波或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般为2mm；缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。

2.单点定位、精密单点定位和相对定位

根据定位所需接收机台数，可分为单点定位、精密单点定位和相对定位。

（1）单点定位：也称绝对定位，是根据一台GPS接收机的观测值及对应的卫星星历来确定该接收机在相应坐标系下的绝对坐标的方法。单点定位的优点是只需要一台接收机即可定位，外业观测和数据处理较方便；缺点是受卫星星历误差、卫星钟差、大气延迟误差等的影响比较明显，而且不太容易消除，所以定位精度较低。用测码伪距观测值进行静态单点定位，点位可以反复测定，当观测时间较长时精度也才10m。利用单点定位进行动态定位时，由于运动中接收机载体每次只能进行一次观测，所以精度较低，一般通过平滑和滤波等方法来消除或消弱噪声，提高定位精度。这种定位方式在车辆导航、资源调查、地质勘探、环境监测、防灾减灾及军事等领域中得到了广泛的应用。

（2）精密单点定位：利用载波相位观测值及由国际GPS服务（IGS）组织提供的高精度的卫星星历与卫星钟差来进行精密单点定位的方法。精密单点定位的精度较高，根据一天的观测值所求得的点位的平面位置精度可达2～3cm，高程精度可达3～4cm，实时定位的精度可达到分米级。精密单点定位只需要一台接收机，作业简单方便，精度较高，所以是目前GPS领域中的研究热点。用户只需要一台接收机即可以在全球范围进行动态定位，获取ITRF 参考框架的精确坐标。

（3）相对定位：也称基线向量，是确定两台或两台以上接收机（接收机需同步跟踪相同的GPS卫星信号）之间的相对位置（坐标差）的定位方法。由于各接收机是对相同的卫星进行观测的，所以受到的误差（卫星星历误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等）影响是大体相同的。在相对定位的过程中，这些误差可得以消除或减弱，所以，可获得较高精度的相对位置，从而在精密定位中主要采用相对定位的作业方式。

3.静态定位、准动态定位、动态定位、动态相对定位和差分动态定位

根据待定点的位置变化与定位误差相比是否明显可分为静态定位、准动态定位、动态定位、动态相对定位和差分动态定位

（1）静态定位：待定点在地固坐标系中的位置变化很难被觉察到，或变化很缓慢，甚至一段时间内（一般为数小时至数天）可忽略不计，只有再次复测时（间隔一般为数月至数年）其变化才能反映出来，在进行数据处理时，整个时段的待定点坐标可以认为是一组固定不变的常数。测定板块运动和监测地壳形变常用到静态定位。

（2）准动态定位：也称Goand Stop（走走停停法），在迁站过程中，接收机需要保持对卫星信号的连续跟踪，并非确定路线中每个点的位置；而是为了将初始化中所测定的整周模糊度保持并传至下一待定点，以实现快速定位。

（3）动态定位：在一段时间内，待定点在地固坐标系中的位置有明显变化，每个观测瞬间待定点的位置各不相同（在进行数据处理时每个历元的待定点坐标均需作为一组未知参数），确定这些载体在不同时刻的瞬时位置的工作称为动态定位。动态定位主要用于军事、测绘航空航天、交通运输等领域，如卫星定轨和导弹制导，航空摄影测量和机载激光扫描测量等测量领域，飞机、船舶和地面车辆的导航与管理。(www.xing528.com)

（4）动态相对定位：在基准点和运动载体上安置GPS接收机进行同步观测并根据资料确定运动载体相对于基准点的位置（即两者之间的基线向量）的工作称为动态定位。在通常情况下，基准点是坐标已被精确确定的地面固定点，称这种情况为动-静相对定位。当基准点处于运动状态时的情况称为动-动相对定位。例如，飞机在航空母舰上着陆、飞机的空中加油、航天器的对接等就属于动-动相对定位。

（5）差分动态定位（简称RTK）：是利用安置在一个运动载体上的GPS接收机，以及安置在地面上一个或多个基准点上的接收机联合测得该运动载体的位置、时间、姿态、速度、加速度等状态参数。根据实时性要求不同，差分动态定位又可分为实时差分动态定位和后处理差分动态定位。实时差分动态定位需要建立无线电数据传输，在观测的同时解算出载体的位置；后处理差分动态定位不需要实时传输数据，而是在观测完成后进行测后处理。

4.实时定位和后处理定位

根据获取定位结果的时间，可分为实时定位和后处理定位。

实时定位是由观测数据实时地解算出接收机天线所在的位置的一种定位方法。例如，目前国内外广泛应用的高精度实时动态定位技术（简称RTK 技术）。

常规RTK 是一种基于单基站的载波相位实时差分定位技术。进行常规RTK 工作时，除需配备参考站接收机和流动站接收机外，还需要数据通信设备，参考站需要将自己所获得的载波相位观测值及站点坐标，通过数据通信链（如电台、手机模块）实时播发给在其周围工作的动态用户。流动站数据处理模块使用动态差分定位的方式确定出流动站相对应参考站的位置，再根据参考站的坐标求得自己的瞬时绝对位置。图5-24所示为常规RTK 作业示意图。

图5-24　常规RTK 作业示意图

网络RTK 也称多参考站RTK，是近年来在常规RTK、计算机技术、通信网络技术的基础上发展起来的一种实时动态定位新技术。CORS系统是网络RTK 技术的基础设施，其由参考站网、数据处理中心、数据通信链路和用户部分组成。一个参考站网可以包括若干个参考站，每个参考站上配备有CORS接收机、数据通信设备等。

网络RTK 的优势有以下几点：

（1）无须架设参考站，省去了野外工作中的值守人员和架设参考站的时间，降低了作业成本，提高了生产效率。

（2）传统“1＋1”GPS接收机真正等于“2”，生产效率双倍提高。

（3）不再为需要寻找控制点。

（4）扩大了作业范围，并且避免了常规RTK 随作业距离的增大精度衰减的缺点，网络覆盖范围内能够得到均匀的精度。

（5）在CORS覆盖区域内，能够实现测绘系统和定位精度的统一，便于测量成果的系统转换和多用途处理。