全球定位系统(GPS)技术浅谈

(1.内蒙古自治区第八地质矿产勘查开发院，内蒙古 乌海 016000；2.安徽 省蚌埠市地勘局 312地质队，安徽 蚌埠 233020)
摘 要：文章介绍了GPS测量的原理、特点及GPS定位仪的 分类，并介绍了本单位GPS技术的应用情况。
关键词：GPS定位系统；测量；应用
中图分类号：P228.4  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)07—0218—02

GPS定位技术，是当今世界发展最为迅速的科学技术之一。它已被广泛应用于军事、航空航 天、交通运输、航海等诸多领域。GPS定位技术的高度自动化及所达到的高精度和具有的发 展潜力，也引起了广大测量工作者的极大兴趣并已在测量工作中得到较为广泛的应用，对经 典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。在大地测量学及其相关领域，如海洋大地 测量学、卫星遥感、工程变形监测、精密工程测量、地壳运动监测、城市控制网的改善等方 面的应用及其所取得的成功经验，充分地显示了这一卫星定位技术的高精度、高效益，充分 地展示了它的显著的优越性和巨大潜力。

自90年代起，全国各测绘部门逐步引进了GPS定位设备，并在不断地提高它的应用技术、扩 展它的应用范围、改进它的应用质量已逐步由静态定位发展到动态定位、由单频发展到双频 ，GPS定位系统的接收数据通道、性能等也在不断的扩展与改进，并在控制测量、工程测量 、地形测量等方面发挥了巨大作用。根据生产和业务发展的需要，第八地质矿产勘查开发院 先后引进美国产trmble静态GPS三台套一套，中海达仪器公司生产的HD-6000及V8动态GPS三 台套各一套，由此开始了GPS定位技术的全面应用。
1 GPS定位系统的构成

全球定位系统(GPS)主要由3部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 
1.1 空间星座部分

全球定位系统的空间卫星星座部分，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。工作卫星分 布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。GPS卫星在空间上的上述配置，保障了在 地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不 受天气的影响，因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位系统。

GPS卫星的基本功能是：接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控 制指令；通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向用户发送导航与定位信息； 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。
1.2 地面监控部分

GPS的地面监控部分主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和 信息注入站。
1.2.1 现在5个地面站均具有监测站的功能。监测站是在主控站的直接控制下的数据采集中 心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接 收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准， 而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理并储存和传送 到主控站，用以确定卫星的精密轨道。
1.2.2 主控站。主控站一个，设在科罗拉多。主控站除协调和管理所有地面站监控系统的 工作外，其主要任务是：①根据本站和其他监测站的所有观测资料推算和编制各卫星星历、 卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。②提供全球定位系统的时间 基准。各监测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出其间的钟差，并把这 些钟差信息编入导航电文送到注入站。③调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启 用备用卫星以代替失效的工作卫星。
1.2.3 信息注入站。注入站有3个。注入站的主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算 和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测 注入信息的正确性。
1.3 用户设备部分

用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成，而GPS接收 机的硬件一般包括主机、天线和电源。用户设备的主要任务是接收GPS卫星发射的信号，以 获得必要的导航和定位信息及观测量，并经数据处理而完成导航和定位工作。
2 GPS定位的方法分类

利用GPS进行定位的方法有多种，若按参考点的一同位置则可分为：①绝对定位(或单点定 位)。即在地球协议坐标系统中，确定观测站相对地球质心的位置。这时，可认为参考点与 地球质心重合。②相对定位。即在地球协议坐标系统中，确定观测站与某一地面参考点之间 的相对的位置。

如果按用户接收机天线在测量中所处的状态，则定位方法可分为：①静态定位。即在定位过 程中，接收机天线的位置是固定的，处于静止状态，通常是指待定点的位置相对其周围的点 位没有发生变化，或变化极其缓慢以致在观测期内(例如数天或数星期)可以忽略。②动态 定位。即在定位过程中，接收机天线处于运动状态。

而在绝对定位中和相对定位中，又都可能包括静态定位与动态定位两种方式。
3 GPS用于测量的特点

相对于经典的测量学来说，GPS这一新技术的主要特点有：
3.1 观测站之间无需通视

既要保持良好的通视条件，又要保持障三角网的良好结构，这一直是经典大地测量在实践方 面的困难之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视。这一优点既可以使测量工作者无需建 造觇标，同时也使点位的选择变得更为灵活。
3.2 定位精度高

现已完成的大量实验表明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1～2×10^-6， 而在100～500km在其线上可达10^-6～10^-7。随着观测技术与数据处理方法的改 善，GPS的定位精度还在不断地提高。
3.3 观测时间短

目前，完成一条基线的精度相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1 ～3h。近年来发展的短基线快速定位法，其观测时间仅为数分钟。
3.4 提供三维坐标

GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。
3.5 操作简单

GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是架设并开关仪器、量取仪器高 和监视仪器的工作状态，而其他观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。
3.6 全天候作业

GPS观测工作可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。
4 GPS接收机的类型

GPS导航与定位技术的迅速发展和应用领域的不断开拓，使得世界各国对GPS接收机的研制与 生产都极为重视，目前世界上GPS接收机的生产厂家约有数十家，而型号超过数百种。根据 不同的观点，GPS接收机可有多种一同的分类，现将主要分类加以介绍。
4.1 根据接收机的工作原理

根据接收机的工作原理，可分为：码相关型接收机；平方型接收机；混合型接收机。
4.2 根据接收机信号通道的类型

根据接收机信号通道的类型，可分为：多通道接收机；序贯通道接收机；多路复用通道接收 机。
4.3 根据接收机的卫星信号频率

根据接收机的卫星信号频率，可分为：单频接收机(L₁)；双频接收机(L₁＋L₂)。 
4.4 根据接收机的用途

根据接收机的用途，可分为：导航型；大地型；授时型。
5 定位系统的GPS定位系统类型及应用情况

第八地质矿产勘查开发院引进的三台静态Trmble-4600GPS为美国天宝公司生产，六台动态HD 6000和V8为广州中海达仪器公司生产。Trmble-4600属大地型、单频、12通道、混合接收型G PS设备。静态相对定位精度：静态基线：±(5mm＋1ppm)；高程(10mm＋2ppm)。同步观 测时间45min。坐标和高程解算程序为TG01.63后处理软件。

中海达HD-6000和V8属大地型、双频、24通道、混合接收型GPS设备。静态相对定位精度：静 态基线：±(5mm＋1ppm)；高程(10mm＋2ppm)。同步观测时间45min。坐标和高程解算程 序为中海达公司研制的《中海达测绘GPS数据处理软件》。动态实时定位精度：平面精度2cm ＋1ppm，高程精度5cm＋1ppm。

Trmble-4600可一起组成静态相对定位测量系统，三台设备同步观测，构成同步环，进行控 制网测量。三台HD-6000和三台V8可组成实时定位测量系统，用于实时定位测量。

第八地质矿产勘查开发院是地质综合单位，主要是配合地质找矿生产，测绘主要用于地质工 程测量，近年来国家对矿产资源方面的重视，也给第八地质矿产勘查开发院开拓了很大的市 场，每年的测量任务都很艰巨，在完成测绘任务的前提下，给我院的测量技术人员也积累了 一定的经验。通过完成众多测量工作的实践，我们看到了GPS在测量工作中各个方面发挥出 的优越性。

为了提高控制网的精度和可靠性，可在GPS网中加入一些高程点及边长观测量。为提高GPS网 的可靠性，使得每一条基线都得到一定程度的检核，GPS网必须布设成独立的GPS基线向量边 构成的闭合图形，也可包含一些附合路线。GPS网的布设相当灵活，但网中不允许存在支线 。同时应注意控制网的边长相差不要过大，以利于GPS网精度的均匀性。

在进行GPS控制网的实地观测时，要解决好通讯和交通两个问题。通讯不畅和交通不便，均 会影响野外观测的顺利进行。同时最好以4台GPS接收机进行同步观测，以增加同步环的比率 和提高工作效率。