如何利用GPS系统进行定位？它的工作原理是什么？

一、概述

GPS定位技术的出现与发展，为工程测量技术带来了革命性的变化，从根本上改变了工程测量的工作方式。

例如RTK设备以及其他利用GPS技术进行的精密工程测量、工程变形监测等都是GPS技术在工程测量领域的应用。

二、GPS测量技术的分类

(一)静态相对定位

静态定位技术指的是，对于静态测量点，使用两台及以上接收器，通过全球卫星定位系统对测量点的位置信息进行处理与计算，最后得到测量点的准确空间信息。

(二)动态相对定位技术

动态相对定位技术是指运用GPS技术对于移动物体进行位置、速度、加速度以及时间参数的测定。与静态相对定位技术的区别是，动态相对定位技术需要在测量对象上安装GPS信号收发装置。

(三)RTK技术

RTK技术中文全称载波相位差分技术，是目前在我国建设工程领域测量工程中应用最多的GPS相关技术，已经被普遍运用到地图测绘、工程点测设等领域。

三、GPS测量技术在工程测量领域的应用

GPS测量技术的外业操作包含选点和观测两个主要内容。

1、选点

进行选点操作时，首先要保证GPS测量设备的位置正确，通过了解GPS测量设备的使用要求可知，在室外空间使用GPS测量设备时，设备上部15度角范围内不应存在任何遮挡物体，以免影响GPS设备对于卫星和基站信号的接收。

由于GPS测量技术使用的是电磁波信号作为测量载体，因此最好避免测量过程中在测量区域内使用大功率电器。

2、观测

为保证测量数据的准确，每一测量点的测量时间不应太短，必须保证测量数据结果的可靠性。测量的数据结果应及时保存，以免丢失。

3、数据处理

GPS测量技术的数据处理过程为：①将获得的数据输入计算机;②数据预处理;③基线计算和GPS消差;④获得最终结果。

四、GPS测量技术的优缺点

优点：

1、采用GPS技术测设方格网，比常规方法适应性更强。

2、GPS测量技术精度高、误差分布均匀，不但能够满足规范要求，而且具有较大的精度储备。

3、采用GPS方法布设大地控制网，因其图形强度系数高，能够有效地提高点位趋近速度。

4、采用GPS-RTK测设建筑方格网与常规测量法相比，效率可提高一倍以上，并能大幅度降低作业人员的劳动强度。

缺点：

1、在大城市或山区由于高层建筑物及树木等对信号的影响，会导致信号的非直线传播，计算时也会引入一定的误差。

2、GPS测量中所选择的控制点位置的差异直接影响到观测点位的精度。

3、GPS测量成果与常规测量成果之间，不同型号GPS测量成果之间存在差异，有时相差比较大。

很难想象没有卫星定位系统的生活。

早上开车出门时，它帮助我们定位导航;在城市的各条道路上，它帮助我们跟踪管理车辆;危险发生时，它帮助我们锁定救援位置......

只要打开 GPS，卫星定位系统就能够在几分钟之内确定位置，测定出行进的速度、所处位置的经纬度及海拔高度。

那么，你在享受卫星定位系统带来的便利时，是否想过，千里之外的卫星为什么能定位得这么精准?卫星定位系统究竟是怎么工作的?

今天我们就一起来了解一下卫星定位系统的工作原理。

卫星定位系统的组成

想要弄清楚卫星定位系统的工作原理，我们不妨先了解一下卫星定位系统的组成结构。

卫星定位系统主要由三部分组成：空间部分、控制部分、用户设备部分。

空间部分，包括工作卫星和备用卫星。这些卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收。

控制部分，包括主控站、注入站和监控站。监测站连续接收 GPS 卫星信号，不断积累数据;主控站根据监控站发来的数据进行系统运行管理与控制，编写导航电文;注入站卫星发送导航电文，对卫星进行控制管理。

用户部分，即 GPS 接收机。主要作用是从 GPS 卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

卫星定位系统的原理

了解完卫星定位系统的组成结构后，我们发现用户的GPS接收端(例如手机中内置的GPS芯片和天线)不向卫星发送任何信息，只是被动的接收卫星数据。

卫星数据只能告诉接收端卫星的位置，那GPS系统究竟是如何通过卫星数据来确定用户位置的呢?

其实卫星定位系统的原理并不复杂。卫星在向接收端发送自己位置信息时，会附上信息发出的时间，GPS 终端接收到信息后，用当前时间减去发送时间，得到信息传播的时间。用信息传播时间乘信息传播的速度(光速)，我们就能得出终端与卫星的距离。

理论上来说，只要我们能得到用户终端与四个不共面卫星的距离，就能在三维空间中确定用户终端所在的位置。

全球定位系统GPS真的是一项有趣的技术，它使用24颗卫星组成的系统连续绕地球运行。如果想知道你的位置至少需要其中的4颗卫星来跟踪定位，是不是难以置信?

有趣的三边定位

我们先来了解一下“三边定位”这个数学技术，以二维世界为例，至少需要2颗卫星才能确定你的位置。第一颗卫星知道你在R1的距离，那么你在这个以R1为半径的圆圈上的某个地方，第二颗卫星知道你在R2的距离，同样你也在这个以R2为半径的圆圈上。这意味着你的实际位置应该在这两个圆圈的交点上。因为你的位置在地球上，所以我们把地球表面看作为第三个圆，最终确定了你在这个位置上

在三维世界中，我们也可以使用同样的方法，但此时我们需要3颗卫星。第一颗卫星知道你在以它为中心的半径为R1的一个球体上的某个地方。使用第二颗卫星，你的位置就会缩小到一个圆，两个球体相交得到的这个圆

在第三颗卫星的帮助下，可以将你的位置缩小到只有两个点，一个圆和一个球体的相交有2个点。就像前面的情况一样，我们还是要把地球作为第四个面，最后我们找到了你的位置，确定了3个空间坐标

时间和距离的测量

那么你和卫星之间的距离是如何测量的?

所有卫星都配备了一个非常精确的原子钟，卫星向地球发送间歇性无线电信号，这个无线电信号包含发送的确切时间和卫星的位置，智能手机里的GPS接收器会收到这个信号

原子钟

因为无线电波以光速传播——你的接收器在一定时间后接收到信号，通过接收时间之间的时间差，再乘以光速，即(t₂-t₁)×c，就可以找到你和卫星之间的距离

需要注意的一点是，时间的测量必须非常准确，即使是微秒的误差也会在千米的范围内产生误差，因为光速实在太大了(光速是每秒30万千米)

那么新问题出现了，我们手机使用的水晶时钟与卫星的原子钟相比并不准确。我们将实际时间和手机测得的时间之间的差异称为时间偏移。这种时间偏移会导致GPS计算中的巨大误差。要在智能手机中安装原子钟是不切实际的，我们如何克服这个问题呢?

于是我们就需要第四颗卫星来测量解决这个问题，这样可以避免在手机中安装原子钟。因此在地球上，至少有4颗卫星可以随时查看我们的位置

其实让卫星定位并不是我们想的那么简单，根据狭义相对论，快速移动的时钟会减慢速度。以每小时14000公里的速度移动的原子钟每天都会产生38微秒的埃文斯偏移需要补偿

科学家们把相对论方程集成到计算机芯片中，调整了原子钟的速率，才得以保证卫星定位的准确性。如果没有相对论的应用，全球定位系统每天会产生10公里的误差。

GPS是一种由美国国防部开发的导航系统，已经成为我们生活中不可或缺的一部分。不过别人家的东西，用着毕竟不安心，所以许多国家都研发了自己的导航系统，比如我国的北斗，俄罗斯的GLONASS、欧盟GALILEO