如何利用GPS系統(tǒng)進行定位？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設備以及其他利用GPS技術(shù)進行的精密工程測量、工程變形監(jiān)測等都是GPS技術(shù)在工程測量領域的應用。

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，使用兩臺及以上接收器，通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對測量點的位置信息進行處理與計算，最后得到測量點的準確空間信息。

(二)動態(tài)相對定位技術(shù)

動態(tài)相對定位技術(shù)是指運用GPS技術(shù)對于移動物體進行位置、速度、加速度以及時間參數(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)，是目前在我國建設工程領域測量工程中應用最多的GPS相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)被普遍運用到地圖測繪、工程點測設等領域。

三、GPS測量技術(shù)在工程測量領域的應用

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

1、選點

進行選點操作時，首先要保證GPS測量設備的位置正確，通過了解GPS測量設備的使用要求可知，在室外空間使用GPS測量設備時，設備上部15度角范圍內(nèi)不應存在任何遮擋物體，以免影響GPS設備對于衛(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)的準確，每一測量點的測量時間不應太短，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)果應及時保存，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)輸入計算機;②數(shù)據(jù)預處理;③基線計算和GPS消差;④獲得最終結(jié)果。

四、GPS測量技術(shù)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

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

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方法布設大地控制網(wǎng)，因其圖形強度系數(shù)高，能夠有效地提高點位趨近速度。

4、采用GPS-RTK測設建筑方格網(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)人員的勞動強度。

缺點：

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，會導致信號的非直線傳播，計算時也會引入一定的誤差。

2、GPS測量中所選擇的控制點位置的差異直接影響到觀測點位的精度。

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，它幫助我們定位導航;在城市的各條道路上，它幫助我們跟蹤管理車輛;危險發(fā)生時，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，是否想過，千里之外的衛(wèi)星為什么能定位得這么精準?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)送帶有時間和位置信息的無線電信號，供GPS接收機接收。

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)進行系統(tǒng)運行管理與控制，編寫導航電文;注入站衛(wèi)星發(fā)送導航電文，對衛(wèi)星進行控制管理。

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

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?

其實衛(wèi)星定位系統(tǒng)的原理并不復雜。衛(wèi)星在向接收端發(fā)送自己位置信息時，會附上信息發(fā)出的時間，GPS 終端接收到信息后，用當前時間減去發(fā)送時間，得到信息傳播的時間。用信息傳播時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”這個數(shù)學技術(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，那么你在這個以R1為半徑的圓圈上的某個地方，第二顆衛(wèi)星知道你在R2的距離，同樣你也在這個以R2為半徑的圓圈上。這意味著你的實際位置應該在這兩個圓圈的交點上。因為你的位置在地球上，所以我們把地球表面看作為第三個圓，最終確定了你在這個位置上

在三維世界中，我們也可以使用同樣的方法，但此時我們需要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的一個球體上的某個地方。使用第二顆衛(wèi)星，你的位置就會縮小到一個圓，兩個球體相交得到的這個圓

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點，一個圓和一個球體的相交有2個點。就像前面的情況一樣，我們還是要把地球作為第四個面，最后我們找到了你的位置，確定了3個空間坐標

時間和距離的測量

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，這個無線電信號包含發(fā)送的確切時間和衛(wèi)星的位置，智能手機里的GPS接收器會收到這個信號

原子鐘

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

需要注意的一點是，時間的測量必須非常準確，即使是微秒的誤差也會在千米的范圍內(nèi)產(chǎn)生誤差，因為光速實在太大了(光速是每秒30萬千米)

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

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

其實讓衛(wèi)星定位并不是我們想的那么簡單，根據(jù)狹義相對論，快速移動的時鐘會減慢速度。以每小時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償

科學家們把相對論方程集成到計算機芯片中，調(diào)整了原子鐘的速率，才得以保證衛(wèi)星定位的準確性。如果沒有相對論的應用，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)了自己的導航系統(tǒng)，比如我國的北斗，俄羅斯的GLONASS、歐盟GALILEO