空間定位技術

用GPS同時測定3維坐標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態擴展到動態，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事後處理擴展到實時(准實時)定位與導航，絕對和相對精度擴展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應用範圍和在各行各業中的作用。不久的將來，人人可以戴上GPS手錶，加上行動電話，你的活動就可以自動進入數字地球中去.

GPS全球衛星定位導航系統(Global Positioning System-GPS)是美國從本世紀70年代開始研製，歷時20年，耗資200億美元，於1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，並成功地應用於大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。

隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟體的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經濟各種部門，並開始逐步深入人們的日常生活。

能為用戶提供連續，實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。

單機定位精度優於10米，採用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。

隨著人們對GPS認識的加深，GPS不僅在測量，導航，測速，測時等方面得到更廣泛的應用，而且其應用領域不斷擴大。

在衛星定位系統出現之前，遠程導航與定位主要用無線導航系統。

·羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個地面導航台組成，導航工作區域2000KM，一般精度200-300M。

·Omega（奧米茄）：工作在十幾千赫。由八個地面導航台組成，可覆蓋全球。精度幾英里。

·多卜勒系統：利用多卜勒頻移原理，通過測量其頻移得到運動物參數（地速和偏流角），推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統。誤差隨航程增加而累加。

缺點：覆蓋的工作區域小；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。

最早的衛星定位系統是美國的子午儀系統（transit），1958年研製，64年正式投入使用。由於該系統衛星數目較小（5-6顆），運行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測到衛星的時間隔較長（平均1.5h），因而它無法提供連續的實時三維導航，而且精度較低。

為滿足軍事部門和民用部門對連續實時和三維導航的迫切要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。

GPS實施計劃共分三個階段：

·第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星。研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。

·第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研製了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。

·第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今後將根據計劃更換失效的衛星。

GPS由三個獨立的部分組成：

● 空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。

● 地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。

● 用戶設備部分：接收GPS衛星發射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處理，完成導航和定位工作。

GPS接收機硬體一般由主機、天線和電源組成。

GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，採用空間距離後方交會的方法，確定待測點的位置。

DGPS原理

目前GPS系統提供的定位精度是優於10米，而為得到更高的定位精度，我們通常採用差分GPS技術：將一台GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

差分GPS分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。

1． 偽距差分原理

這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。

這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標差分”

2．載波相位差分原理

載波相位差分技術又稱RTK（Real Time Kinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站採集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。

載波相位差分可使定位精度達到厘米級。大量應用於動態需要高精度位置的領域。

GPS作為野外定位的最佳工具，在戶外運動中有廣泛的應用，在國內也可以越來越經常地看見有人使用了。GPS不象電視或收音機，打開就能用，它更象一架相機，你需要有一定的知識。

首先大家要弄清使用GPS時常碰到的一些術語：

有2維、3維兩種坐標表示，當GPS能夠收到4顆及以上衛星的信號時，它能計算出本地的3微坐標：經度、緯度、高度，若只能收到3顆衛星的信號，它只能計算出2維坐標：精度和緯度，這時它可能還會顯示高度數據，但這數據是無效的。大部分GPS不僅能以經/緯度(Lat/Long)的方式，顯示坐標，而且還可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐標系統顯示坐標但我們一般還是使用LAT/LONG系統，這主要是由你所使用的地圖的坐標系統決定的。坐標的精度在Selective Availability(美國防部為減小GPS精確度而實施的一種措施)打開時，GPS的水平精度在100-50米之間，視接受到衛星信號的多少和強弱而定，若根據GPS的指示，說你已經到達，那麼四周看看，應該在大約一個足球場大小的面積內發現你的目標的

在SA關閉時，精度能達到15米左右。高度的精確性由於系統結構的原因，更差些。經緯度的顯示方式一般都可以根據自己的愛好選擇，一般有\"hddd.ddddd\",\"hddd*mm.mmm\"\"，\"hddd*mm\"ss.s\"\"\"(其中的“*”代表“度”，以下同)地球子午線長是39940.67公里，緯度改變一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地區緯在北緯40度左右，緯度圈長為40075*sin(90-40),此地經度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以選定某個顯示方式，並把各位數字改變一對應地面移動多少米記住，這樣能在經緯度和實際里程間建立個大概的對應。大部分GPS都有計算兩點距離的功能，可給出兩個坐標間的精確距離。高度的顯示會有英制和公制兩種方式，進GPS的SETUP頁面，設置成公制，這樣在其他象速度、距離等的顯示也都會成公制的了。

GPS內存中保存的一個點的坐標值。在有GPS信號時，按一下\"MARK\"鍵，就會把當前點記成一個路標，它有個默認的一般是象\"LMK04\"之類的名字，你可以修改成一個易認的名字(字母用上下箭頭輸入)，還可以給它選定一個圖標。路標是GPS數據核心，它是構成“路線”(見3)的基礎。標記路標是GPS主要功能之一，但是你也可以從地圖上讀出一個地點的坐標，手工或通過計算機介面輸入GPS，成為一個路標。一個路標可以將來用於GOTO功能(見5)的目標，也可以選進一條路線Route，見3.)作為一個支點。一般GPS能記錄500個或以上的路標。

路線是GPS內存中存儲的一組數據，包括一個起點和一個終點的坐標，還可以包括若干中間點的坐標，每兩個坐標點之間的線段叫一條\"腿\"(leg)。常見GPS能存儲20條線路，每條線路30條\"腿\"。各坐標點可以從現有路標中選擇，或是手工/計算機輸入數值，輸入的路點同時做為一個路標(Waypoint/Landmark)保存。實際上一條路線的所有點都是對某個路標的引用，比如你在路標菜單下改變一個路標的名字或坐標，如果某條路線使用了它，你會發現這條線路也發生了同樣的變化。可以有一條路線是\"活躍\"(Activity)的。“活躍”路線的路點是導向(見5)功能的目標

GPS沒有指北針的功能，靜止不動時它是不知道方向的。但是一旦動了起來，它就能知道自己的運動方向。GPS每隔一秒更新一次當前地點信息，每一點的坐標和上一點的坐標一比較，就可以知道前進的方向，請注意這並不是GPS頭指的方向，它老人家是不知道自己的腦袋和運動路線是成多少度角的。不同GPS關於前進方向的演演算法是不同的，基本上是最近若干秒的前進方向，所以除非你已經走了一段並仍然在走直線，否則前進方向是不準確的，尤其是在拐彎的時候你會看到數值在變個不停。方向的是以多少度顯示的，這個度數是手錶錶盤朝上，12點指向北方，順時針轉的角度。有很多GPS還可以用指向羅盤和標尺的方式來顯示這個角度。一般同時還顯示前進平均速度，也是根據最近一段的位移和時間計算的。

導向功能在以下條件下起作用：

1.)以設定\"走向\"(GOTO)目標。\"走向\"目標的設定可以按\"GOTO\"鍵，然後從列表中選擇一個路標。以後\"導向\"功能將導向此路標。

2.)目前有活躍路線(Activity route)。活躍路線一般在設置->路線菜單下設定。如果目前有活動路線，那麼\"導向\"的點是路線中第一個路點，每到達一個路點后，自動指到下一個路點。

在\"導向\"頁面上部都會標有當前導向路點名稱(\"ROUTE\"里的點也是有名稱的)。它是根據當前位置，計算出導向目標對你的方向角，以與\"前進方向\"相同的角度值顯示。同時顯示離目標的距離等信息。讀出導向方向，按此方向前進即可走到目的地。有些GPS把前進方向和導向功能結合起來，只要用GPS的頭指向前進方向，就會有一個指針箭頭指向前進方向和目標方向的偏角，跟著這個箭頭就能找到目標。

日出日落時間(Sun set/raise time)

大多數GPS能夠顯示當地的日出、日落時間，這在計劃出發/宿營時間時是有用的。這個時間是GPS根據當地經度和日期計算得到的，是指平原地區的日出、日落時間，在山區因為有山脊遮擋，日照時間根據情況要早晚各少半個小時以上。GPS的時間是從衛星信號得到的格林尼制時間，在設置(setup)菜單里可以設置本地的時間偏移，對中國來說，應設+8小時，此值只與時間的顯示有關。

GPS每秒更新一次坐標信息，所以可以記載自己的運動軌跡。一般GPS能記錄1024個以上足跡點，在一個專用頁面上，以可調比例尺顯示移動軌跡。足跡點的採樣有自動和定時兩種方式自動採樣由GPS自動決定足跡點的採樣方式，一般是只記錄方向轉折點，長距離直線行走時不記點；定時採樣可以規定採樣時間間隔，比如30秒、一分鐘、5分鐘或其他時間，每隔這麼長時間記一個足跡點。在足跡線頁面上可以清楚地看到自己足跡的水平投影。你可以開始記錄、停止記錄、設置方式或清空足跡線。“足跡”線上的點都沒有名字，不能單獨引用，查看其坐標，主要用來畫路線圖(計算機下載路線?)和“回溯”功能。很多GPS有一種叫做“回溯”(Trace back)的功能，使用此功能時，它會把足跡線轉化為一條“路線”(ROUTE)，路點的選擇是由GPS內部程序完成的一般是選用足跡線上大的轉折點。

同時，把此路線激活為活動路線，用戶即可按導向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般會把回溯路線放進某一默認路線(比如route0)中，看你GPS的說明書，使用前要先檢查此線路是否已有數據，若有，要先用拷貝功能複製到另一條空線路中去，以免覆蓋。回溯路線上的各路點用系統默認的臨時名字如\"T001\"之類，有的GPS定第二條回溯路線時會重用這些名字，這時即使你已經把舊的路線做了拷貝，由於路點引用的名字被重用了，所以路線也會改變，不是原來那條回溯路線了。請查看你GPS的使用說明書，並試用以明確你的情況。有必要的話，對於需要長期保存的TraceBack路線，要拷貝到空閑路線，並重命名所有路點名字。