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ＧＰＳ原理及应用简介

桂林航天工业高等专科学校电子工程系

陈磊

粱强

［摘要］本文简述了全球定位系统（ＧＰＳ）的基本结构和测量原理，总结了ＧＰＳ用于工程测量所具有的特点，并对

ＧＰＳ在工程测量中的应用前景进行了分析。

［关键词】ＧＰＳ定位系统卫星导航工程测量

全球定位系统（ＧＰＳ）是英文ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ的字头缩写词的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。ＧＰＳ是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，ＧＰＳ技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。

ｌＣＰＳ工作原理

ＧＰＳ设备（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）即全球定位系统，用于接收并解析太空中数个卫星回传电波中的轨道信息及时刻信息，来计算出ＧＰＳ接收器所在位置的经度、纬度、水平高度及移动速度。ＧＰＳ设备基本配备通常包含了一个ＧＰＳ接收器、解析器及一部高效率的微电脑。

１．１ＧＰＳ系统构成

一个完整的ＧＰＳ主要由空间段、控制段和用户段三部分构成。

（１）空间段由分布在６个轨道面上的２４颗卫星组成。卫星轨道高度２０２００ｋｍ，倾角５５度，周期１２小时。卫星用Ｌ波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角１５０以上，平均可同时观测到６颗卫星，最多可达到９颗。卫星的轨道分布保证在世界各地任何时间可见到至少６颗卫星，卫星连续向用户提供位置和时间信息。

（２）控制段由分布在全球的一个主控站、五个监测站和三

个注入站组成。主控站位于Ｃｏｌｏｒａｄｏ。监测站跟踪视野内所有

ＧＰＳ卫星、收集卫星测距信息，并把收集的信息送到主站。主

控站根据各监测站对ＧＰＳ卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入

站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存

储器中。

（３）用户段由ＧＰＳ接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。ＧＰＳ接收机可捕获到按一定卫星高度截

止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进

行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出ＧＰＳ接收机中心（测站点）的三维坐标。

１．２ＧＰＳ定位测量原理ＧＰＳ定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图１所示，在待测点Ｑ设置ＧＰＳ接收机，在某一时刻ｔｋ同时接收到３颗（或３颗以上）卫星ｓ，、Ｓ：、Ｓ，所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离Ｐ。、ｐ２、ｐ３。根据卫星星历可查到该时刻３颗卫星的三维坐标（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｉ），ｊ＝１，２，３，从而由下式解算出Ｑ点的三维坐标（ｘ，Ｙ，ｚ）：

彳＝（ｘ－ｘ１）２＋（】，一，Ｉ：）２＋（Ｚ—ｚｊ）２厉＝（ｘ—Ｘ２）２＋（ｙ—ｒ２）２＋（ｚ—ｚ２）２厉＝（．ｒ—Ｘ３）２十（ｙ—Ｅ）２＋（ｚ—Ｚ，）２

－——１８８ ———

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方数据Ｓ１

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１．３ＧＰＳ信号

ＧＰＳ卫星发射两种频率的载波信号，即频率为１５７５．４２ＭＨｚ的Ｌ１载波和频率为１２２７．６０ＨＭｚ的Ｌ２载波，它们的频率分别是基本频率１０．２３ＭＨｚ的１５４倍和１２０倍，它们的波长分别为

１９．０３ｅｒａ和２４．４２ｅｍ。在Ｌ１和心上又分别调制着多种信号，

这些信号主要有：

（１）Ｃ／Ａ码又被称为粗捕获码，它被调制在Ｌ１载波上，是１ＭＨｚ的伪随机噪声码（ＰＲＮ码），其码长为１０２３位（周期为ｌｍｓ）。由于每颗卫星的Ｃ／Ａ码都不一样，因此，我们经常用它们的ＰＲＮ号来区分它们。Ｃ／Ａ码是普通用户用以测定测站到卫星问的距离的一种主要的信号。

（２）Ｐ码又被称为精码，它被调制在Ｌ１和Ｌ２载波上，是１０ＭＨｚ的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施ＡＳ时，Ｐ码与ｗ码进行模二相加生成保密的Ｙ码，此时，一般用户无法利用Ｐ码来进行导航定位。

（３）导航信息：导航信息被调制在Ｌｌ载波上，其信号频率为５０Ｈｚ，包含有ＧＰＳ卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻ＧＰＳ卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

１．４ＧＰｓ测量的特点

相对于常规测量来说，ＧＰＳ测量主要有以下特点：

（１）测量精度高。ＧＰＳ观测的精度明显高于一般常规测量，在小于５０ｌ【ｌＩｌ的基线上，其相对定位精度可达１×１０～，在大于１０００ｋｍ的基线上可达１×１０～。

（２）测站间无需通视。ＧＰＳ测量不需要测站问相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。

（３）观测时间短。随着ＧＰＳ测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行ＧＰＳ测量时，静态相对定位每站仅需２０ｍｉｎ左右，动态相对定位仅需几秒钟。

（４）仪器操作简便。目前ＧＰＳ接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。

（５）全天候作业。ＧＰＳ卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。

（６）提供三维坐标。ＧＰＳ测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

２、应用前景

国内ＧＰＳ应用最大的利好来自２００８年的（下转１９０页）