认识 GPS卫星导航定位系统
摘要：本文主要介绍了 GPS导航定位系统的组成、基本工作原理、特点以及在各领域中的
应用 等，力求让测绘同行和有兴趣的朋友对 GPS全球导航定位系统有一个全面基本的了
解和认识。 关键词：GPS GPS卫星导航定位系统 GPS接收机 GPS卫星信号 导航与定位
RTK 一、概述：自从五七年第一颗人造卫星上天，六十年代的人造卫星导航定位技术，
七十年代美国军方开始 发展 GPS（Global Positioning System）卫星导航定位系统，直
至 1995年 4月 27日美国国防部宣部“GPS系统已具备全部运作能力”。GPS计划的实现
历时 23年，耗资 200多亿美元，前后共发射 35颗卫星， 目前 仍在轨道上正常工作的有
二 25颗卫星，其中 1颗为实验卫星，24颗为工作卫星。它具有海、陆、空全方位实时三
维导航与定位能力，是美国第二代卫星导航系统，其特点是全天候、高精度、应用广，是
迄今最好的导航定位系统。它广泛的应用价值，引起了各国 科学 家的关注和 研究 ，前
苏联和西欧各国的科学家在积极开发利用 GPS信号资源的同时，还致力于研究开发各自的
卫星导航定位系统，如前苏联建成的 GLONASS卫星导航系统，我国也在致力于发展自已的
卫星导航定位系统。同时，它的出现也导致了测绘行业一场深刻的技术变革。 二、GPS
系统的组成：由三大部分组成，即空间部分、地面监控部分、用户设备部分。 1、空间部
分：GPS系统的空间部分是指 GPS工作卫星星座，其由 24颗卫星组成，其中 21颗工作卫
星，3颗备用卫星，均匀分布在 6个轨道上。卫星轨道平面与地球赤道面倾角为 55°，各
个轨道平面的升交点赤经相差 60°，轨道平均高度为 20200km.卫星运行周期为 11小时 58
分（恒星时），同一轨道上的各卫星的升交角距为 90°，GPS卫星的上述时空配置，基本
保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到 4颗卫星，以满足地面用户实
时全天候精密导航和定位。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为 ，重约 774kg，两侧
各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带
有四台高精度原子钟，其中 2台为铷钟，2台为铯钟。GPS卫星上设有微处理机，可以进
行必要的数据处理工作，它主要的 3个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监
控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向 GPS用户播送导航电文，提供导
航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。 2、地面监控部分：由 5
个地面站组成。1个主控站，其位于美国本土科罗拉多斯平土（Colorado Spings）的联合
空间执行中心 CSOC，3个注入站，其分别设在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森岛和
南太平洋的卡瓦加兰。5个监控站，其中 4个与主控站、注入站重叠，另外一个设在夏威
夷。主控站的主要任务为：根据各监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星
钟差、和大气层修正参数并把这些数据传送到注入站；提供 GPS系统的时间标准；调整偏
离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启用备用卫星以取代失效的工作卫星。注入站的
主要任务为：在主控站的控制下，把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到
相应卫星的存储系统。监测站的主要任务为：给主控站编算导航电文提供观测数据，每个
监控站均用 GPS信号接收机，对每颗可见卫星每 6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观
测，并采集气象要素等数据。 3、用户设备部分：由 GPS接收机硬件和相应的数据处理软
件以及微处理机及其终端设备组成。其主要功能是接收 GPS卫星发射的信号，获得必要的
导航和定位信息及观测量，并经简单数据处理实现实时导航和定位，用后处理软件包对观
测数据进行精加工，以获取精密定位结果。 三、GPS导航定位系统的特点： GPS导航定
位系统之所以在许多领域得到广泛应用，出现了与 GPS系统相关的产业，这都得益于其本
身所具有的诸多优点，概括起来主要有以下几个方面。 1、定位精度高：通过很多应用实
践已经证明，GPS相对定位精度在 50km以内可达 10-6，100km～500km可达 10-7，1000km
以上可达 10-9，在 300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解算，其平面位置误差
小于 1mm。基线边长越长越能突显是定位精度高的优势。 2、观测时间短：由于 GPS系统
的不断完善，软件不断更新，目前 20km以内相对静态定位，仅需 15~20分钟，快速静态
相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在 15km以内时，流动站只需观测 1~2分钟
，动态相对定位测量时，流动站出发时观测 1~2分钟，然后可随时定位，每站观测仅需几
秒钟。 3、测站间无须通视：GPS测量不要求站点间相互通视，只需测站上空开阔即可。
4、可提供三维坐标：经典大地测量将平面与高程采用不同 方法 施测，而 GPS可同时精
确测定测站点的三维坐标，目前 GPS水准可达到四等水准测量的精度。 5、操作简便：随
着 GPS机不断改进，自动化程度越来越高，体积也越来越小，重量越来越轻，有的已达“
傻瓜化”的程度。 6、全天候作业：使用 GPS测量，不受时间限制，24小时都可以工作
，也不受起雾、刮风、下雨下雪等气候的 影响 。 7、功能多、应用广：GPS系统不仅可
用于测量，还可用于测速、测时。测速精度可达
们对 GPS系统的不断开发，其应用领域正在不断地扩大。
四、GPS卫星信号接收机的基本工作原理和种类
GPS接收机主要由天线单元、接收单元和电源三部分组成。其工作原理如图
接收机天线对 GPS卫星信号进行接收，并将卫星信号转化为相应的电流，电流信号再经前
置放大器放大，放大后的信号由变频器和中频放大器将 L频段的射频信号变成低频信号；
由接收单元的信号通道对广播电文数据信号进行解扩、解调，得到导航电文，并由存贮器
保存。CPU将得到的各种数据进行粗处理，使用户得到需要的各种导航定位信息
GPS接收机按照其工作原理、用途、接收卫星信号频率、信号通道数目可分成许多不同的
类型
生产 GPS接收机的厂商很多，主要有美国 Ashtech公司和 Trimble公司、欧洲 LEica公司
、法国的 Sercel公司生产的各类型的接收机。现在厂商生产的 GPS接收机朝越来越高度
集成化、智能化、抗干扰性能强、小巧轻便、易于操作的方向 发展
五、GPS导航定位系统工作的基本原理及定位 方法
GPS的工作原理实际上就是利用测距后方交会原理确定点位与导航，将无线电信号发
射台从地面点搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统， 应用 无线电测距交会的原理，
由三个以上地面已知点（控制点）交会出卫星的位置，反之利用三个以上卫星的已知空间
位置又可以交会出地面未知点（接收机）的位置。如图二，GPS卫星发射测距信号和导航
电文，用户用 GPS接收机在某一时刻 i同时接收到三颗 GPS卫星信号，测量出测站 P到三
颗 GPS卫星的距离 S1、S2、S3，并 计算 出该时刻 GPS卫星的空间坐标为（Xj、Yj、Zj）
，j=1,2,3。用距离交会法解算出测站 P的位置（Xp、Yp、Zp），其观测方程式为
S1^2=(Xp-X1)^2+(Yp-Y1)^2(Zp-Z1)^2
S2^2=(Xp-X2)^2+(Yp-Y2)^2(Zp-Z2)^2
S3^2=(Xp-X3)^2+(Yp-Y3)^2(Zp-Z3)^2
因此，利用 GPS卫星导航定位时，必须同时跟踪至少三颗以上的卫星
根据 GPS导航定位的方式不同，可分为 GPS绝对定位和相对定位，根据接收机天线是否处
于运动状态，又可以分为静态定位和动态定位，GPS卫星导航实质上就是广义的 GPS动态
定位。GPS绝对定位也叫单点定位，即利用 GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接
确定用户接收机天线在 WGS－84坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。GPS
相对定位也叫差分 GPS定位，即至少用两台 GPS接收机，同步观测相同的 GPS卫星，确定
两台接收机天线之间的相对位置，它是 目前 GPS定位中精度最高的一种方法。广泛用于
大地测量、精密工程测量、地球动力学的 研究 和精密导航。现在又出现了一种叫载波相
位动态实时差分－RTK（Real-time kinematic）技术，实质也就是相对定位，只不过它能
快速完成整周模糊度的搜索求解。其基本过程是基准站（已知点）通过数据链将其采集的
观测数据和测站信息一起传送给流动站，流动站利用同步采集到的 GPS观测数据，在系统
内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果
六、GPS导航定位系统的广泛 应用
美国政府最初开发 GPS导航定位系统主要为用于军队导航、收集情报等军事目的，后来对
民用领域开放，将 GPS系统分为军用码和民用码，但两者的接收精度相差很大。由于 GPS
具有全天候、高精度、自动化、高效益的特点，特别是随着 GPS系统的不断改进，软、硬
件的不断完善以及美国终止降低民用 GPS接收机精度的作法，应用领域得到不断地开拓，
目前 已遍及国民 经济 各个部门，并开始进入人们的日常生活。人们可以开着装有先进
GPS导航系统的汽车，随时为你指示行进方向，你可以戴着手表式的接收机为你在原始森
林里 旅游 探险指明方向
1、在大地测量、工程测量中的应用
由于 GPS系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便，现今建立大地及工程控制网基本
上是采取 GPS定位技术，取代了常规手段。国家 A级和 B级 GPS大地控制网分别于 1996
年和 1997年建成并交付使用，A级网，30个点组成，其水平方向的重复精度达 2×10－8，
，垂直方向不低于 7×10－8。B级网由 800个点组成，其精度也分别好于 4×10－7和 8×10
－7。国家 A、B级网以其特有的高精度把我国传统大地网进行了全面改善和加强，从而克
服了传统大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点，这一高精度
三维空间大地坐标系的建成将为我国 21世纪前 10年的经济和 社会 持续 发展 提供基础
测绘保障。据报道在三峡二期工程施工中采用 GPS定位技术建立施工控制网，取得很好的
效果，可以满足其相应的精度要求；在青藏铁路的建设中，从勘测到施工均采用了 GPS定
位技术，都取得了很好的效果。为了在测绘领域充分利用这一新技术，国家测绘局专门颁
布了《全球定位系统（GPS）测量规范》
2、在地籍和房产测绘中的应用
地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点位置，同时测绘大比例尺地籍平面图和房产
图并量算土地和房屋面积，供土地和房产管理部门使用。常规 方法 通常是先布设或加密
控制点，然后依据这些点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的 规律 和符号
绘制成平面图。而利用 GPS定位技术，特别是采用 RTK技术替代常规方法测绘地籍及房产
成为可能。由于它不需要逐级布网加密，在测区只需少量的控制点即可。因此，它具有速
度快，精度高且分布均匀等特点
3、在工程变形监测中的应用
我国正处在全面基础建设中，尤其是西部大开发，大型、特大型工程不断涌现，为了这些
工程的正常、安全地运行，必须对它进行变形监测和安全预报，工程变形监测通常要达到
毫米或亚毫米级的精度，武汉测绘 科技 大学做了这方面的试验，试验结果证明 GPS定位
技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变形 GPS自动化监测系统，
整个系统全自动，应用广播星历 1~2小时 GPS观测资料解算的监测点位，水平精度优于
，垂直精度优于 ，6小时的 GPS观测资料解算，水平精度、垂直精度均优于
1mm
4、在资源勘察方面的应用
矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的地质测
量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量，然后在室内整理 计
算 得到最终结果。这样做不但工作量大，浪费大量的人力、物力，且测量结果精度还较
低。时间周期也长，不能及时反映矿产资源的实际现状。黑龙江省国土资源厅在哈尔滨市
、大庆市、佳木斯市进行了试验性工作，建立和使用 GPS2000系统，开展各市的矿产资源
勘察动态管理工作，减少矿区范围界限定位误差，提高对地矿资源的有效管理，取得了较
好的成果
另外，在航空摄影测量、海洋测量、山体滑波监测、运载工具导航和管制、地壳运动监测
、地球动力学 研究 等领域均得到了成功的应用
七、结束语：在我们从事的多个水利水电工程测量中，均涉及到了 GPS定位技术，也感受
到其无穷的优点。同时也得到有关领导对这项新技术的重视。经过领导派我们去培训后，
对这项新技术有了更进一步的认识，结合 学习 后所掌握的知识，以及在工作中所涉及到
的有关资料，同时 参考 了以下主要 文献 写成这篇文章，其目的是让感兴趣的朋友对
GPS导航定位技术有一定的认识和了解。有不足和不恰当之处，肯请指正
主要参考文
1、张勤、李家权编著《全球定位系统（GPS）测量原理及其数据处理基础》
2、徐绍铨、张华海、杨志强、王泽民编著《GPS测量原理及应用》
