GPS概述及其定位原理

1．概述
　　五十年代未，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统TRANsIT的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃，我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低，以满足大地测量或工程测量的要求，更不可能用于天文地球动力学研究。为了提高卫星定位的精度，美国从1973 年开始筹建全球定位系统GPS （Global Positioning System)。在进过了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，并于1994年全部建成，投入使用。GPS系统的空间部分由21 颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度为20000余公里，轨道倾角为55度，扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442兆赫兹（L1波段）和1227.6兆赫兹（L2波段），卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。
　　GPS系统的控制部分由设在美国本土的5个监控站组成，这些站不间断地对GPS卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。
　　 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NovAtel、ASHTECH、 GARMIN、CMC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。
　　对于测绘界的用户而言， GPS已在测绘领域引起了革命性的变化，目前，范围上数公里至几千公里的控制网或形变监测网，精度上从百米至毫米级的定位，一般都将GPS作为首选手段，随着RTK技术的日趋成熟，GPS已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。
　　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。
　　GPS系统的实时导航定位精度很高，美国在1992年起实行了所谓的SA政策，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动（使伪距和相位的量测精度降低），后又实行了A-S政策，即将P码改变为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响，但美国为了获得更大的商业利益，这些政策终将被取消。

2．GPS定位原理
　　GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
　　GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
　　GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。
　　按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
　　在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
　　在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。 在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于 这种目的的接收机被称为大地型接收机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS已经能 够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。

导航型GPS使用指南

GPS作为野外定位的最佳工具，在户外运动中有广泛的应用，在国内也可以越来越经常地看见有人使用了。GPS不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的技巧。现在我来谈一下我的一些GPS使用办法和经验，希望其他朋友能继续补充。

　　首先大家要弄清使用GPS时常碰到的一些术语：

　　1.坐标(coordinate)

　　有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在 Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。

　　在SA关闭时(目前是很少见的，但美政府计划将来取消SA)，精度能达到15米左右(GPS性能介绍上说的精度都给的是no SA值，唬人的)。高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般有"hddd.ddddd", "hddd*mm.mmm""，"hddd*mm"ss.s"""(其中的“*”代表“度”，以下同)地球子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为 40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。

　　2.路标(Landmark or Waypoint)

　　GPS内存中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时，按一下"MARK"键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象"LMK04"之类的名字，你可以修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入)，还可以给它选定一个图标。路标是GPS数据核心，它是构成“路线”(见3)的基础。标记路标是 GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成为一个路标。一个路标可以将来用于GOTO功能(见 5)的目标，也可以选进一条路线Route，见3.)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的路标。

　　3.路线(ROUTE)

　　路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条"腿"(leg)。常见GPS能存储20条线路，每条线路30条"腿"。各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标 (Waypoint/Landmark)保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现这条线路也发生了同样的变化。可以有一条路线是"活跃"(Activity)的。“活跃”路线的路点是导向(见5)功能的目标。

　　4.前进方向(Heading)

　　GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。

　　5.导向(Bearing)

　　导向功能在以下条件下起作用：

　　1.)以设定"走向"(GOTO)目标。"走向"目标的设定可以按"GOTO"键，然后从列表中选择一个路标。以后"导向"功能将导向此路标。

　　2.)目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置->路线菜单下设定。如果目前有活动路线，那么"导向"的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。

　　在"导向"页面上部都会标有当前导向路点名称("ROUTE"里的点也是有名称的)。它是根据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与"前进方向 "相同的角度值显示。同时显示离目标的距离等信息。读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。有些GPS把前进方向和导向功能结合起来，只要用GPS的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。

　　6.日出日落时间(Sun set/raise time)

　　大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间，在设置(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8小时，此值只与时间的显示有关。

　　7.足迹线(Plot trail)

　　GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。足迹点的采样有自动和定时两种方式自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间，每隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。“足迹”线上的点都没有名字，不能单独引用，查看其坐标，主要用来画路线图(计算机下载路线?)和“回溯”功能。很多GPS有一种叫做“回溯”(Trace back)的功能，使用此功能时，它会把足迹线转化为一条“路线”(ROUTE)，路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。

　　同时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线(比如route0)中，看你 GPS的说明书，使用前要先检查此线路是否已有数据，若有，要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如 "T001"之类，有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字，这时即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改变，不是原来那条回溯路线了。请查看你GPS的使用说明书，并试用以明确你的情况。有必要的话，对于需要长期保存的TraceBack路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名字。

　　然后介绍一下GPS的主要使用方法：

　　GPS比较费电池，多数GPS使用四节碱性电池一直开机可用20-30小时，说明书上的时间并不是很准确的，长时间使用时要注意携带备用电池。大部分 GPS有永久的备用电池，它可以在没有电池时保证内存中的各种数据不会丢失。由于GPS在静止时没有方向指示功能，所以同时带上一个小巧的指北针是有用的。标记路标时，GPS提供一个默认的路标名，比如LMK001之类，难于记忆，虽可改成一个比较好记一些的名字，但一是输入不便，用上下箭头选字母很费劲，二是一般只能起很短的英文名字，比如6或9个字母，仍然不好记，同时再带上一个小的录音机/采访机随时记录，是个不错的主意。

　　1.有地图使用

　　GPS与详细地图配合使用时有最好的效果，但是国内大比例尺地图十分难得，GPS使用效果受到一定限制。“万一”你有目的地附近的精确地图，则可以预先规划线路，先做地图上规划，制定行程计划，可以按照线路的复杂情况和里程，建立一条或多条线路(ROUTE)，读出路线特征点的坐标，输入GPS建立线路的各条“腿”(legs),并把一些单独的标志点作为路标(Landmark/Waypoint)输入GPS。GPS手工输入数据，是一项相当烦琐的事情，请想一下，每个路标就要输入名字、坐标等20多个字母数字，每个字母数字要按最多到十几次箭头才能出来，哈哈，这就是有人舍得花很多钱来买接线和软件，用计算机来上载/下载数据的原因。带上地图！行进时用一是利用GPS确定自己在地图上的位置，二是按照导向功能指示的目标方向，配合地图找路向目标前进。同时一定要记录各规划点的实际坐标，最好再针对每条规划线路建立另一条实际线路，即可作为原路返回时使用，又可回来后作为实际路线资料保存，供后人使用。

　　2.无图使用这是更为常见的使用方式。

　　1.)使用路点定点：常用于确定岩壁坐标、探洞时确定洞口坐标或其他象线路起点、转折、宿营点的坐标。用法简单，MARK一个坐标就行了。找点：所要找的地点坐标必须已经以路标(landmark/waypoint)的形式存在于GPS的内存中，可以是你以前MARK的点或者是从以前去过的朋友那里得到的数据，手工/计算机上载成的路标数据。按GOTO键，从列表中选择你的目的路标，然后转到“导向”页面，上面会显示你离目标的距离、速度、目标方向角等数据，按方向角即可。

　　2.)使用路线输入路线：若能找到以前去过的朋友记录的路线信息，把它们输入GPS形成线路，或者(常见于原路返回)把以前记录的路标编辑成一条线路。路线导向：把某条路线激活，按照和“找点”相同的方式，“导向”页会引导你走向路线的第一个点，一旦到达，目标点会自动更换为下一路点，“导向”页引导你走向路线的第二个点...若你偏离了路线，越过了某些中间点，一旦你再回到路线上来，“导向目标”会跳过你所绕过的那些点，定为线路上你当前位置对应的下一个点。

　　3.)回溯回溯功能实际是输入线路(route)的一种特殊方法，它在原路返回时十分好使。但有些注意事项，见“7.足迹线”

　　说一下我喜欢的使用方式：

　　首先我把坐标显示格式设为"hddd.ddddd"形式，这样经度最低位数字变1，对应东西向移动了0.85米，纬度最低数字变1，对应南北方向移动了1.1米。另外对于携带一个采访机，标记路标后不改变其默认名字，而是录音记录这个路点名字、时间和地点描述。在一条路线的起始处标记一个路点，清空以前标记的“足迹点”，设置“足迹线”记录方式为自动，一直开机，在路线转折处、有明显地面标志处及其他需要标记处标记(MARK)路标 (Waypoint)，并做录音说明。一直到达营地，标记营地，把用“回溯”功能把当日“足迹线”存成一条线路，并把此线路做拷贝，更名(Rename) 所涉及的个路点，以免此路线被下次“回溯”冲掉，如果并不原路往回返，取消“回溯”路线的被激活状态(回溯路线自动被激活)。再把“足迹点”的形状抄到纸上，关机。第二天出发时，仍然按前一天出发时一样操作。如果是沿原路返回，那么激活前一天设的回溯路线，并结合沿途定的路标点，使用导向功能返回。行程结束，回到城里后，根据录音，把GPS记载的数据整理成线路描述文件保存，以后别人就可以使用这组数据走这条线路了。

　　由于国内大比例尺不宜得到，所以朋友们每次出去玩希望都能带一组正确数据回来，有地图时整理一套地图+实测路线坐标，没地图时整理一套线路描述+实测坐标，发到网上，逐渐积攒起来，形成咱们自己的地理数据库，以后再有朋友走这条线路就可以免除雇向导和迷路之苦了！