什么是GPS？它的基本概念和原理是什么？

PS测量定位涉及很复杂的数学计算，而这些计算都由专门的软件来处理，所以面对非测绘专业的读者，以下只列出简单的原理公式。

5. 1 GPS卫星定位基本原理

利用三个以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定点(接收机)的位置，这就是GPS卫星定位的基本原理但考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫星。

卫星是高速运行的动态已知点，卫星的实时位置是由导航电文解算的，只要实时测量出测站(接受机天线中心)至卫星间的距离，就可以进行测站点的定位。公式如下：

式中(xJ，yJ，zJ)为三个卫星某时刻的位置(j=1,2,3);

(xP，yP，zP) 为测站点P点坐标;

(ρ1，ρ2，ρ3) 为卫星到接收机天线的距离。

依据测距原理，其定位方法可分为：伪距法定位、载波相位定位和差分定位等。根据待定点运动状态可分为静态定位和动态定位。

单机定位又叫绝对定位，若至少两台以上接收机同时观测，确定两点间相对位置，又叫相对定位。

5.2 伪距测量定位原理

1)伪距测量

伪距测量通常用C/A码或P码进行，在图2-24中，卫星到接收机的距离是通过测定信号从卫星到接收机的延迟时间乘以光速C来求得，延迟时间是通过码相关技术来求得。

GPS卫星发射的测距码是按一定的规律排列的，在同一周期内每个码对应着某一特定的时间，识别每个码的形状特征，即用每个码的某一标志可推算时延值τ，由于τ及各种误差的影响，实际测得的距离ρ′与卫星到接收机天线的几何距离ρ有一定差值Δρ，所以ρ′称为伪距：

ρ=ρ′+Δρ。

考虑到卫星钟差C•δtk，接收机钟差C•δtj，电离层延迟δp1，大气对流层延迟δp2，则

2)伪距测量绝对定位(图2-25)

一台静止的接收机用伪距测量方法同步观测四颗以上GPS卫星，分别得到伪距观测量ρj′(j=1，2，3，4……) 因此2-7式可写成：

式中j为卫星号，j=1，2，3，4……

2-9式即为伪距定位的观测方程组。将上式线性化，并按最小二乘平差解此方程组，即可求得定位点坐标(xP，yP，zP)。

5.3 载波相位测量定位原理

1)载波相位测量

载波相位观测通过测定GPS接收机本振参考信号与卫星载波信号的相位差，间接测定卫星到接收机天线间几何距离。由于载波波长比C/A码的码长短,λL1=19cm，λL2=24cm，所以可达到很高的精度。

如图2-26，以φjk(tk)表示K接收机在接收机钟面时刻tk所接收到的j卫星载波信号的相位值，φk(tk)表示K接收机在钟面时刻tk所产生的本地参考信号的相位值，则K接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为

。

通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻(t0)以后就可以取得连续的相位测量值。

在初始t0时刻，测得小于一周的相位差为△φ0，其整周数为N0J，此时包含整周数的相位观测值应为：

Nj0是未知量，称为整周模糊度。

接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差△φ(t)，并利用整波计数器记录从t0到t1时间内的整周数变化量Int(φ)，只要卫星Sj从t0到t1之间卫星信号没有中断，则初始时刻整周模糊度N0j就为一常数，这样，任一时刻t1卫星Sj到K接收机的相位观测值为：

2)载波相位测量绝对定位

一台静止的接收机用载波相位测量方法同步观测四颗以上GPS卫星，分别得到(2-10)式相位观测值，并考虑到各种误差的影响，同样可列出载波相位测量的观测方程式，并按最小二乘平差求解，即可求得定位点坐标(xP，yP，zP)。

由于方程式复杂，此处不一一列出。

3)整周模糊度和周跳

以下需要讨论两个重要的问题：

①整周模糊度N0是未知的量，如何确定?很多学者提出了解算的方法，如伪距法、三差法、快速确定法以及把N0作未知数参加平差(整数解、实数解)等方法，并由软件来解决此问题。

②接收机在信号跟踪接收过程出现信号中断使计数器无法连续计数，即出现整周跳变，如何修复周跳，确定Int(φ)的正确数据?常用多项式拟合法，卫星间求差法以及根据平差后残差发现和修复整周跳变。

5.4静态相对定位

静态相对定位是用两台接收机分别安置在基线两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量。同样，多台接收机安置在若干条基线的两端，通过同步观测GPS卫星可以确定多条基线向量。在一个端点坐标已知的情况下，可以用基线向量求另一待定点坐标。相对定位的主要原理是，在两个或两个以上观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差对观测量的影响具有一定的相关性，利用观测量求差的办法可有效地消除或减弱相关误差影响，以提高定位精度。

如图2-27，两个测站同步观测两个卫星，在ti时刻，测站1和2对K卫星和J卫星的载波相位观测值为。

则得接收机(站)间对K卫星和J卫星第一次求差(单差):

在此基础上再进行卫星间二次求差(双差)：

(同样也可进行i+1时刻对k、j卫星进行站间求单差和双差)

在此基础上，还可以在不同历元(i与i+1时刻)间进行三次求差(三差)：

上述差分观测量能有效地消除各种偏差,单差观测值中可以消除与卫星有关的载波相位及钟差项，双差观测值中可消除与接收机有关的载波相位及钟差项，三差观测值中可消除与接收机有关的初始整周模糊度项N0。

1)差分定位的概念

这里介绍的差分定位，是将一台GPS接收机安置在参考站(基准站)上进行观测，基准站将已知的测站精密坐标和接收到的卫星信息直接或经过处理后实时发送给流动站接收机(待定点)，流动站接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的信息，经过对结果进行改正，从而提高定位精度。

全球定位系统(GPS)是“授时、测距导航系统/全球定位系统(Navigation systerm Timing and Ranging/Global Positioning System)的简称。该系统是由美国国防部于1973年组织研制，主要为军事导航与定位服务的系统。历经20年，耗资300亿美元，于1993年建设成功。GPS是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。它已成为美国导航技术现代化的重要标志，被称为本世纪继阿波罗登月、航天飞机之后又一重大航天技术。

全球有四大卫星定位系统分别是：中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GNSS)和欧盟研制伽利略卫星导航系统(GSNS)。

在自动驾驶领域，北斗、GPS高精度定位涉及到五个必要的时空因素：北斗、GPS卫星、高精度地图、全疆域通讯网络覆盖、定位基站、移动端接收机。目前，北斗、GPS定位配合高精度地图，是各类自动驾驶的发展方向。其中，高精地图相当于人类大脑记忆中的路线，也就是对大脑中物理空间的记忆，北斗、GPS定位相当于人类对空间位置和时空判断的感知，通过二者结合可以得知去哪里、怎么去。

本章内容将科普讲解下卫星定位系统最基本的工作原理。

二、卫星定位基本工作原理

GPS的定位原理并不难，其实就是三角定位法。简单来说，就是通过在不同的位置测量卫星和接收器之间的距离，从而确定接收器的位置。这么说有点抽象，我们通过下图简单三角几何解释定位可能就比较清楚了。

a、如果只有一颗卫星测出来的距离做参考，则所在位置可以是红圈内的任意一点;

b、如果有两颗卫星所测出的距离做参数，则在所在位置可以是红、蓝两个圈上的相交的两点其中一点，可以是P，或是X;

c、一旦有齐三颗卫星所测出来的距离做参数时，大家就可看出如何可锁定所在位置P了GPS定位系统是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资300亿美元，于1994年全面建成，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与定位系统，还提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略重要组成。截止 1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已经布设完成。

全球定位系统共由三部分构成：

1.地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入导航电文)、监测站(数据自动收集中心)

和通讯辅助系统(数据传输)组成;

2.空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上;

3.用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。

全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上(每轨道面四颗)，

轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP)。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、

多机型的高新技术国际性产业。

由于工作原理的限制，全球卫星导航系统的卫星数量也有一个下限。以美国的GPS为例，至少要有24颗卫星在轨道上正常运行，才能保证地球上绝大部分地区能够随时“看到”4颗GPS卫星，从而实现精准定位。

根据要求和目的的不同，全球卫星导航系统也可能不止24颗卫星。比如备用卫星或者其他轨道的卫星等等

对于全球卫星导航系统的用途，我们大家都非常熟悉，平时出门的时候想要导航或者定位，都会用到这个系统。可以说，如果没有导航，我们的日常生活将会失去很多便利。

不过，它的作用绝不仅仅在于此，除了民用之外，它还在许多领域发挥着更为关键的作用。

以海运为例，别说是这些巨轮在航行过程中需要通过GPS来导向，甚至在卸货的时候吊取集装箱的时候，起重机都需要借助GPS来确定自己该吊哪个集装箱。

还有现代农业，也非常依赖全球导航系统。该系统可以帮助农民进行农机车辆导航、平地、精确播种、喷药、撒肥、数据管理以及作物活力检测和变量控制等等工作，不论是在效率上还是在准确率上，都比人工管理要高得多。

当然了，全球导航系统还有一个非常重要的作用，那就是在军事方面的重要意义。首先就是导弹的制导，需要利用GPS等系统来进行导航，从而精准地击中目标。除了导弹之外，无人机也需要根据卫星系统的导航来确定攻击目标的位置。还有军事行动中，军队也可以通过导航系统判断自己的位置，确定行进方向。

伦敦经济学院曾经进行过一项评估，他们认为，如果GPS中断5天的时间，那么将会对英国造成高达51亿英镑(约合65亿美元)的经济损失!对于美国来说，GPS故障一天的损失也将高达10亿美元。如果是发生在4-5月，也就是农业的播种季节，那么每天的损失甚至高达15亿美元!

目前，全世界一共有四个国家/地区拥有属于自己的导航系统，除了美国的GPS之外，还有欧洲航天局的伽利略卫星定位系统、俄罗斯的格洛纳斯以及我国的北斗卫星导航系统。

其中，格洛纳斯是早在苏联时期就开始建设的全球卫星导航系统，苏联解体后，俄罗斯于1993年继续建设该系统，最终于2007年开始运营。原则上讲，格洛纳斯只需要18颗卫星就能保证俄罗斯境内用户的使用。为了防止意外，格洛纳斯系统还需要发射一些备用的卫星。截至2012年时，该系统一共有24颗卫星在轨。