GPS定位技术概述
全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)是由美国国防部研制和维护的卫星导航系统，由24颗工作卫星组成，可为地球表面或近地空间的用户提供全天候、全天时、高精度的三维位置、速度和时间信息，GPS定位技术已成为现代社会不可或缺的基础设施，广泛应用于导航、测绘、交通管理、农业、军事等领域。
GPS定位原理
GPS定位基于三角测量原理，通过测量用户接收机与至少4颗GPS卫星之间的距离来确定用户的位置，具体过程包括：
- 卫星信号发射：每颗GPS卫星持续发射包含卫星轨道参数(星历)和时间信息的无线电信号
- 信号接收：用户GPS接收机同时接收多颗卫星信号
- 伪距测量：接收机测量信号传播时间，计算出与各卫星的"伪距"(含误差的距离)
- 位置解算：利用至少4颗卫星的伪距数据，通过数学算法解算出接收机的三维位置(经度、纬度、高度)和时间偏差
GPS系统组成
完整的GPS系统由三大部分构成：
空间部分(Space Segment)
- 由24颗工作卫星(21颗主用+3颗备用)组成，分布在6个轨道面上
- 轨道高度约20200公里,轨道倾角55度
- 每颗卫星绕地球运行周期约12小时
- 保证全球任何地点、任何时间至少能观测到4颗卫星
地面控制部分(Control Segment)
- 由1个主控站、5个监测站和3个地面天线组成
- 监测站：跟踪所有可见卫星，收集伪距数据并传送至主控站
- 主控站：计算卫星轨道参数和时钟修正量，生成导航电文
- 地面天线：将导航电文上传至各GPS卫星
用户部分(User Segment)
- 各类GPS接收机及用户设备
- 包括军用、民用、专业级和消费级等不同类型
- 接收卫星信号,解算出位置、速度和时间信息
GPS定位误差来源
GPS定位存在多种误差来源,主要包括：
- 卫星时钟误差：卫星原子钟与GPS系统时间的微小偏差
- 星历误差：卫星实际轨道与广播轨道参数的差异
- 电离层延迟：信号穿过电离层时速度减慢引起的误差
- 对流层延迟：信号穿过对流层时传播速度变化
- 多路径效应：信号经建筑物或地形反射后被接收机接收
- 接收机噪声：接收机硬件和软件处理引入的误差
- 几何精度因子(GDOP)：卫星几何分布对定位精度的影响
GPS增强技术
为提高GPS定位精度和可靠性,发展出多种增强技术：
差分GPS(DGPS)
- 基准站已知精确坐标,计算GPS定位误差
- 将误差修正量发送给附近用户接收机
- 可将定位精度从10米提高到1-3米
实时动态定位(RTK)
- 利用载波相位观测值进行高精度定位
- 需要基准站和流动站同时观测相同卫星
- 实时定位精度可达厘米级
- 广泛应用于测绘、工程测量等领域
广域增强系统(WAAS)
- 由地面基准站和地球同步卫星组成
- 覆盖大面积区域(如整个北美)
- 提供完整性信息和差分修正
- 将GPS定位精度提高到1-2米
辅助GPS(A-GPS)
- 利用蜂窝网络辅助GPS接收机快速定位
- 提供卫星星历和初始位置信息
- 显著缩短首次定位时间(TTFF)
- 广泛应用于智能手机等移动设备
GPS定位技术考试重点
基础知识部分
- GPS系统组成及功能
- GPS定位基本原理
- 坐标系统与时间系统
- GPS信号结构与特性
- GPS测量误差来源及消除方法
技术应用部分
- 静态定位与动态定位
- 差分GPS原理及应用
- RTK技术原理及操作
- GPS数据处理方法
- GPS与其他导航系统的组合
实际操作部分
- GPS接收机操作与设置
- 外业数据采集规范
- 内业数据处理软件使用
- 质量控制与精度分析
- 常见问题排查与解决
GPS技术发展前沿
- 多系统兼容接收机：兼容GPS、GLONASS、北斗、Galileo等多系统
- 精密单点定位(PPP)：利用精密星历和钟差实现高精度单机定位
- 网络RTK技术：基于CORS网络的区域增强定位服务
- 室内外无缝定位：GPS与WiFi、蓝牙、UWB等技术的融合
- 自动驾驶导航：高精度GPS在无人驾驶中的应用
- 低轨卫星增强：利用低轨卫星增强GNSS性能
备考建议
- 理解基本原理：掌握GPS定位的物理和数学基础
- 熟悉系统构成：了解空间段、控制段和用户段的功能
- 掌握误差分析：能够分析各种误差源及消除方法
- 实践操作技能：熟悉常见GPS接收机的操作流程
- 学习数据处理：掌握基线解算、网平差等处理方法
- 关注技术发展：了解GPS技术的最新进展和应用
常见问题解答
Q：GPS定位最少需要几颗卫星？ A：理论上三维定位至少需要4颗卫星(解决经度、纬度、高度和时间偏差四个未知数)，但在已知高度或时间的情况下，有时3颗卫星也可定位。
Q：民用GPS和军用GPS的主要区别是什么？ A：主要区别在于使用的信号和精度，军用GPS使用加密的P(Y)码信号，精度更高(约0.3米)；民用GPS使用C/A码信号，标准定位精度约10米(无SA干扰时)。
Q：什么是选择性可用(SA)政策？ A：SA是美国国防部故意降低民用GPS精度的技术措施，2000年5月已取消，当时人为引入误差使民用GPS水平精度降至100米左右。
Q：GPS定位精度如何表示？ A：通常用CEP(圆概率误差)、RMS(均方根误差)或2DRMS(两倍距离均方根误差)表示，例如10米CEP表示50%的定位点落在真实位置10米半径圆内。
Q：为什么GPS信号无法在室内良好接收？ A：GPS信号功率很低(-130dBm左右)，且频率较高(L1波段1575.42MHz)，穿透能力弱，容易被建筑物阻挡和衰减。
参考资料
- 《全球定位系统(GPS)测量原理与应用》 徐绍铨等编著
- 《GPS卫星导航定位原理与方法》 刘基余编著
- 《GNSS原理与应用》 李征航等编著
- RTCA DO-229D, GNSS航空应用标准
- 美国海岸警卫队导航中心(NAVCEN)技术文档
- 国际GNSS服务(IGS)技术报告
- GPS World等专业期刊技术文章
