如何利用GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位？它的工作原理是什么？

一、概述

GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為工程測量技術(shù)帶來了革命性的變化，從根本上改變了工程測量的工作方式。

例如RTK設(shè)備以及其他利用GPS技術(shù)進(jìn)行的精密工程測量、工程變形監(jiān)測等都是GPS技術(shù)在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、GPS測量技術(shù)的分類

(一)靜態(tài)相對定位

靜態(tài)定位技術(shù)指的是，對于靜態(tài)測量點(diǎn)，使用兩臺及以上接收器，通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對測量點(diǎn)的位置信息進(jìn)行處理與計(jì)算，最后得到測量點(diǎn)的準(zhǔn)確空間信息。

(二)動態(tài)相對定位技術(shù)

動態(tài)相對定位技術(shù)是指運(yùn)用GPS技術(shù)對于移動物體進(jìn)行位置、速度、加速度以及時(shí)間參數(shù)的測定。與靜態(tài)相對定位技術(shù)的區(qū)別是，動態(tài)相對定位技術(shù)需要在測量對象上安裝GPS信號收發(fā)裝置。

(三)RTK技術(shù)

RTK技術(shù)中文全稱載波相位差分技術(shù)，是目前在我國建設(shè)工程領(lǐng)域測量工程中應(yīng)用最多的GPS相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)被普遍運(yùn)用到地圖測繪、工程點(diǎn)測設(shè)等領(lǐng)域。

三、GPS測量技術(shù)在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用

GPS測量技術(shù)的外業(yè)操作包含選點(diǎn)和觀測兩個(gè)主要內(nèi)容。

1、選點(diǎn)

進(jìn)行選點(diǎn)操作時(shí)，首先要保證GPS測量設(shè)備的位置正確，通過了解GPS測量設(shè)備的使用要求可知，在室外空間使用GPS測量設(shè)備時(shí)，設(shè)備上部15度角范圍內(nèi)不應(yīng)存在任何遮擋物體，以免影響GPS設(shè)備對于衛(wèi)星和基站信號的接收。

由于GPS測量技術(shù)使用的是電磁波信號作為測量載體，因此最好避免測量過程中在測量區(qū)域內(nèi)使用大功率電器。

2、觀測

為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，每一測量點(diǎn)的測量時(shí)間不應(yīng)太短，必須保證測量數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠性。測量的數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)及時(shí)保存，以免丟失。

3、數(shù)據(jù)處理

GPS測量技術(shù)的數(shù)據(jù)處理過程為：①將獲得的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī);②數(shù)據(jù)預(yù)處理;③基線計(jì)算和GPS消差;④獲得最終結(jié)果。

四、GPS測量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1、采用GPS技術(shù)測設(shè)方格網(wǎng)，比常規(guī)方法適應(yīng)性更強(qiáng)。

2、GPS測量技術(shù)精度高、誤差分布均勻，不但能夠滿足規(guī)范要求，而且具有較大的精度儲備。

3、采用GPS方法布設(shè)大地控制網(wǎng)，因其圖形強(qiáng)度系數(shù)高，能夠有效地提高點(diǎn)位趨近速度。

4、采用GPS-RTK測設(shè)建筑方格網(wǎng)與常規(guī)測量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

缺點(diǎn)：

1、在大城市或山區(qū)由于高層建筑物及樹木等對信號的影響，會導(dǎo)致信號的非直線傳播，計(jì)算時(shí)也會引入一定的誤差。

2、GPS測量中所選擇的控制點(diǎn)位置的差異直接影響到觀測點(diǎn)位的精度。

3、GPS測量成果與常規(guī)測量成果之間，不同型號GPS測量成果之間存在差異，有時(shí)相差比較大。

很難想象沒有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的生活。

早上開車出門時(shí)，它幫助我們定位導(dǎo)航;在城市的各條道路上，它幫助我們跟蹤管理車輛;危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，它幫助我們鎖定救援位置......

只要打開 GPS，衛(wèi)星定位系統(tǒng)就能夠在幾分鐘之內(nèi)確定位置，測定出行進(jìn)的速度、所處位置的經(jīng)緯度及海拔高度。

那么，你在享受衛(wèi)星定位系統(tǒng)帶來的便利時(shí)，是否想過，千里之外的衛(wèi)星為什么能定位得這么精準(zhǔn)?衛(wèi)星定位系統(tǒng)究竟是怎么工作的?

今天我們就一起來了解一下衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成

想要弄清楚衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作原理，我們不妨先了解一下衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要由三部分組成：空間部分、控制部分、用戶設(shè)備部分。

空間部分，包括工作衛(wèi)星和備用衛(wèi)星。這些衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時(shí)間和位置信息的無線電信號，供GPS接收機(jī)接收。

控制部分，包括主控站、注入站和監(jiān)控站。監(jiān)測站連續(xù)接收 GPS 衛(wèi)星信號，不斷積累數(shù)據(jù);主控站根據(jù)監(jiān)控站發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制，編寫導(dǎo)航電文;注入站衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航電文，對衛(wèi)星進(jìn)行控制管理。

用戶部分，即 GPS 接收機(jī)。主要作用是從 GPS 衛(wèi)星收到信號并利用傳來的信息計(jì)算用戶的三維位置及時(shí)間。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)的原理

了解完衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)后，我們發(fā)現(xiàn)用戶的GPS接收端(例如手機(jī)中內(nèi)置的GPS芯片和天線)不向衛(wèi)星發(fā)送任何信息，只是被動的接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)只能告訴接收端衛(wèi)星的位置，那GPS系統(tǒng)究竟是如何通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)來確定用戶位置的呢?

其實(shí)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜。衛(wèi)星在向接收端發(fā)送自己位置信息時(shí)，會附上信息發(fā)出的時(shí)間，GPS 終端接收到信息后，用當(dāng)前時(shí)間減去發(fā)送時(shí)間，得到信息傳播的時(shí)間。用信息傳播時(shí)間乘信息傳播的速度(光速)，我們就能得出終端與衛(wèi)星的距離。

理論上來說，只要我們能得到用戶終端與四個(gè)不共面衛(wèi)星的距離，就能在三維空間中確定用戶終端所在的位置。

全球定位系統(tǒng)GPS真的是一項(xiàng)有趣的技術(shù)，它使用24顆衛(wèi)星組成的系統(tǒng)連續(xù)繞地球運(yùn)行。如果想知道你的位置至少需要其中的4顆衛(wèi)星來跟蹤定位，是不是難以置信?

有趣的三邊定位

我們先來了解一下“三邊定位”這個(gè)數(shù)學(xué)技術(shù)，以二維世界為例，至少需要2顆衛(wèi)星才能確定你的位置。第一顆衛(wèi)星知道你在R1的距離，那么你在這個(gè)以R1為半徑的圓圈上的某個(gè)地方，第二顆衛(wèi)星知道你在R2的距離，同樣你也在這個(gè)以R2為半徑的圓圈上。這意味著你的實(shí)際位置應(yīng)該在這兩個(gè)圓圈的交點(diǎn)上。因?yàn)槟愕奈恢迷诘厍蛏?，所以我們把地球表面看作為第三個(gè)圓，最終確定了你在這個(gè)位置上

在三維世界中，我們也可以使用同樣的方法，但此時(shí)我們需要3顆衛(wèi)星。第一顆衛(wèi)星知道你在以它為中心的半徑為R1的一個(gè)球體上的某個(gè)地方。使用第二顆衛(wèi)星，你的位置就會縮小到一個(gè)圓，兩個(gè)球體相交得到的這個(gè)圓

在第三顆衛(wèi)星的幫助下，可以將你的位置縮小到只有兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)圓和一個(gè)球體的相交有2個(gè)點(diǎn)。就像前面的情況一樣，我們還是要把地球作為第四個(gè)面，最后我們找到了你的位置，確定了3個(gè)空間坐標(biāo)

時(shí)間和距離的測量

那么你和衛(wèi)星之間的距離是如何測量的?

所有衛(wèi)星都配備了一個(gè)非常精確的原子鐘，衛(wèi)星向地球發(fā)送間歇性無線電信號，這個(gè)無線電信號包含發(fā)送的確切時(shí)間和衛(wèi)星的位置，智能手機(jī)里的GPS接收器會收到這個(gè)信號

原子鐘

因?yàn)闊o線電波以光速傳播——你的接收器在一定時(shí)間后接收到信號，通過接收時(shí)間之間的時(shí)間差，再乘以光速，即(t?-t?)×c，就可以找到你和衛(wèi)星之間的距離

需要注意的一點(diǎn)是，時(shí)間的測量必須非常準(zhǔn)確，即使是微秒的誤差也會在千米的范圍內(nèi)產(chǎn)生誤差，因?yàn)楣馑賹?shí)在太大了(光速是每秒30萬千米)

那么新問題出現(xiàn)了，我們手機(jī)使用的水晶時(shí)鐘與衛(wèi)星的原子鐘相比并不準(zhǔn)確。我們將實(shí)際時(shí)間和手機(jī)測得的時(shí)間之間的差異稱為時(shí)間偏移。這種時(shí)間偏移會導(dǎo)致GPS計(jì)算中的巨大誤差。要在智能手機(jī)中安裝原子鐘是不切實(shí)際的，我們?nèi)绾慰朔@個(gè)問題呢?

于是我們就需要第四顆衛(wèi)星來測量解決這個(gè)問題，這樣可以避免在手機(jī)中安裝原子鐘。因此在地球上，至少有4顆衛(wèi)星可以隨時(shí)查看我們的位置

其實(shí)讓衛(wèi)星定位并不是我們想的那么簡單，根據(jù)狹義相對論，快速移動的時(shí)鐘會減慢速度。以每小時(shí)14000公里的速度移動的原子鐘每天都會產(chǎn)生38微秒的埃文斯偏移需要補(bǔ)償

科學(xué)家們把相對論方程集成到計(jì)算機(jī)芯片中，調(diào)整了原子鐘的速率，才得以保證衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確性。如果沒有相對論的應(yīng)用，全球定位系統(tǒng)每天會產(chǎn)生10公里的誤差。

GPS是一種由美國國防部開發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)成為我們生活中不可或缺的一部分。不過別人家的東西，用著畢竟不安心，所以許多國家都研發(fā)了自己的導(dǎo)航系統(tǒng)，比如我國的北斗，俄羅斯的GLONASS、歐盟GALILEO