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GPS 定位原理及应用

目录
前 言 4
第一章 GPS卫星定位测量基础 5
1.1 GPS系统简介 5
1.1.1 GPS定位系统的发展 5
1.1.2 GPS相对于其它导航系统的特点 5
1.1.3 GPS定位技术相对于经典测量技术的优点 6
1.1.4 GPS系统的构成 6
1.2 GPS定位的坐标系统和时间系统 8
1.2.1 GPS定位的坐标系统 8
1.2.2 GPS定位的时间系统 8
1.3 GPS卫星信号 9
1.3.1 GPS卫星的测距码信号 9
1.3.2 GPS卫星的导航电文 9
1.3.3 GPS卫星星历 9
1.4 GPS信号接收机 10
1.4.1 GPS信号接收机的基本工作原理 10
1.4.2 GPS信号接收机分类 11
第二章 GPS定位原理及误差来源 13
2.1 GPS定位方法分类 13
2.2.1 静态定位和动态定位 13
2.2.2 绝对定位和相对定位 13
2.2 GPS 静态定位原理 14
2.2.1 静态绝对定位原理 16
2.2.2 静态相对定位原理 16
2.3 GPS动态定位原理 17
2.3.1 GPS动态绝对定位原理 17
2.3.2 GPS动态相对定位原理 17
2.3.3 差分GPS定位原理 18
2.4 GPS定位的误差来源及对策 18
2.4.1与GPS卫星有关的误差 18
2.4.2卫星信号传播误差 19
2.4.3与接收设备有关的误差 20
2.4.4. 其它误差来源 21
2.4.5 卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响 22
第三章 GPS控制网的设计与外业工作 24
3.1 GPS网的技术设计 24
3.1.1 GPS网的构网特点及方式 24
3.1.1 GPS网的精度设计 26
3.1.2 GPS控制网网形设计 26
3.1.3 GPS网基准的设计 27
3.2选点与埋设标志 28
3.3 GPS测量的观测工作 28
3.4 GPS观测成果检验与技术总结 30
3.4.1 GPS观测成果检验 30
3.4.2 GPS测量的技术总结与上交资料 31
第四章 GPS测量数据处理 33
4.1 GPS测量数据处理概述 33
4.2 GPS的坐标系统及坐标转换 33
4.2.1旋转椭球与参心坐标系 33
4.2.2北京54和西安80国家坐标系 35
4.2.3地方独立坐标系 36
4.2.4高斯平面直角坐标系和UTM坐标系 37
4.3 GPS定位测量中的坐标转换 39
4.3.1空间直角坐标系与椭球大地坐标系的关系 40
4.3.2 GPS网的三维平差 40
4.3.3 GPS基线向量网的二维平差 41
4.4 GPS网平差约束基准兼容性检验 41
4.5 GPS的高程系统 41
4.5.1高程系统简介 42
4.5.2 GPS水准 43
4.5.3 GPS重力高程 43
4.5.4 GPS高程精度 44
第五章 GPS定位测量技术应用 45
5.1 GPS在大地测量中的应用 45
5.1.1 现代大地测量参考基准 45
5.1.2 国家高精度GPS网 46
5.1.3 地区性的GPS大地控制网 47
5.2 GPS在灾害监测与预报中的应用 47
5.2.1 GPS在滑坡、矿山地面沉陷等灾害地质监测中的应用 47
5.2.2 GPS在大城市地面沉降监测中的应用 48
5.2.3 GPS在大坝、桥梁、海上钻井平台等工程形变监测中的应用 49
5.3 GPS在工程测量以及摄影测量与遥感技术中的应用 50
5.3.1 GPS在桥梁与隧道控制测量中的应用 51
5.3.2 GPS在各种线路工程测量中的应用 52
5.4 GPS定位技术的其他应用 52
5.4.1 GPS在海洋测绘中的应用 52
5.4.2 GPS在农业、林业与野外考查中的应用 54
5.4.3 GPS在导航、航天及天气预报中的应用 55
第六章 全球卫星导航定位系统发展 56
6.1 俄罗斯卫星导航系统—GLONASS卫星系统 56
6.2 欧洲卫星导航系统—Galileo系统 57
6.3 北斗卫星导航系统 57
6.4 GPS现代化 58
6.4.1 现有GPS系统存在的问题 59
6.4.2 GPS现代化的构架 59
前 言
全球定位系统（Global Positioning System-GPS）是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。GPS作为新一代导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，发展全球定位系统（GPS）已成为美国导航技术现代化的重要标志，并且被视为本世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后又一重大科技成就。
目前，GPS精密定位技术已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其对经典测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源勘查、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了这一卫星定位技术的高精度和高效益。
近年来，GPS精密定位技术在我国已得到蓬勃发展，如大地测量、精密工程测量、地壳运动监测、资源勘察和城市控制网的改善等方面的应用及其所取的成功经验，进一步展示了GPS的显著优越性和巨大潜力。
随着急速的的发展，GPS也将更广泛的应用于国内测量的各个领域，从而将为国家的经济建设、国防建设的发展做出新的奉献。

60

第一章 GPS卫星定位测量基础
GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。随着GPS定位技术的发展，其广泛的应用于民用领域，在测量工作方面GPS定位技术在大地测量、工程测量、工程与地壳变形监测、地籍测量、航空摄影测量和海洋测量等各个领域的应用已甚为普及。
本章介绍GPS卫星定位测量的基础知识，包括GPS系统简介、卫星定位测量采用的坐标系统和时间系统、GPS卫星星历等内容。
1.1 GPS系统简介
1.1.1 GPS定位系统的发展
GPS系统的研制计划分3个阶段实施：
1) 原理与可行性实验阶段，1973年12月到1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功，历时5年。
2) 系统研制与实验阶段，1978年2月22日到1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功，历时l1年。
3) 工程发展与完成阶段，1989年2月14日到1995年4月27日，历时7年。1995年4月27日美国国防部宣布：GPS系统已具备运作能力。在全世界任何地方都可以实现全天候的导航、定位。
1.1.2 GPS相对于其它导航系统的特点
从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和实验工作，发展异常迅速。理论与实践表明，GPS同其他导航系统相比，其主要优点如下：
1) 全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上任何地点，均可连续地同步观测到至少4颗卫星。从而保障了全球、全天候、连续地三维定位。
2) 功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。目前GPS定位精度可以达到厘米级，随着GPS定位技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。
3) 实时定位。利用全球定位系统导航，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此即可保障运动载体沿预定航线的运行，也可以实时地监视和修正航行路线，以及选择最佳的航线。
4) 应用广泛。随着GPS定位技术的发展，其应用的领域在不断拓宽。目前，在导航方面，它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理，以及运动目标的报警与救援等方面，也已获得了成功地应用；在测量工作方面，这一定位技术在大地测量，工程测量，工程与地壳变形监测、地籍测量，航空摄影测量和海洋测绘等各个领域的应用，已甚为普遍。
1.1.3 GPS定位技术相对于经典测量技术的优点
GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度及其潜力，使广大测量工作者产生了极``大的兴趣。尤其从1982年第一代测量型无码GPS接收机Macrometer V-1000投入市场以来，在应用基础的研究、应用领域的开拓、硬件和软件的开发等方面，都得到蓬勃发展。广泛的实验活动为GPS精密定位技术在测量工作中的应用，展现了广阔的前景。
相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点如下：
1) 观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%~50%），同时也使点位的选择变得甚为灵活。
不过也应指出，GPS测量虽不要求观测站之间相互通视，但必须保持观测站的上空开阔，以使接收GPS卫星的信号不受干扰。
2) 定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50KM的基线上，其相对定位精度可达到1~2*10-6，而在100KM~500KM的基线上可达到10-6~10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。
3) 观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业效率，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。
4) 提供三维坐标。GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。
5) 操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中的测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监控仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均有仪器自动完成。
6) 全天候作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。所以，GPS定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大的突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透，从而促进科测绘科学技术的现代化发展。
1.1.4 GPS系统的构成
全球定位系统（GPS）的整个系统由三大部分组成，即空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：
1) 空间部分
GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星 。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。
2) 控制部分
GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国科罗拉多州，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷、阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

3) 用户部分
GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

1.2 GPS定位的坐标系统和时间系统
1.2.1 GPS定位的坐标系统
GPS定位测量涉及两类坐标系，即天球坐标系和地球坐标系。天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点和各坐标轴的指向在空间保持不动，可较方便地描述卫星的运行位置和状态。而地球坐标系则是与地球体相固联的坐标系统，用于描述地面测站的位置。
GPS定位测量中所采用的协议地球坐标系，称为WGS-84世界大地坐标系(Geodetic system 1984)。该坐标系由美国国防部研制，自1987年1月l0日开始起用。WGS-84坐标系的原点为地球质心M；Z轴指向BIH1984.0时元定义的协议地极(CTP,conventional terrestrial pole)；X轴指向BIHl984.0时元定义的零子午面与CTP相应的赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，且与Z、X轴构成右手系。WGS-84坐标系采用的地球椭球，称为WGS-84椭球，其常数为国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)第17届大会的推荐值，4个主要参数如下：

椭球长半径a=6378137m
地球(含大气层)引力常数GM=(3986005×108±0.6×108)m3/s2
正常二阶带谐系数C2.0=－484.166 85×10-6±1.30×10-9
地球自转角速度ω=(7292115×l0-11±0.15×10-11)rad/s
利用上述4个基本参数，可算出WGS-84椭球的扁率为：f =1/298.25722。
1.2.2 GPS定位的时间系统
GPS卫星作为一个高空动态已知点，其位置是随时间不断变化的。因此，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。并且，卫星位置的精度和时刻的精度密切相关，例如：当要求GPS卫星的位置误差小于1cm时，相应的时刻误差应小于2.6×10-6s。GPS测量是通过接收和处理GPS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机(观测站)至卫星间的距离，进而确定观测站的位置。而欲准确地测定测站至卫星的距离，就必须精密地测定信号的传播时间。
确定一个时间系统和确定其他测量基准一样，要定义时间单位(尺度)和原点(起始历元)。
为了保证导航和定位精度，全球定位系统(GPS)建立了专门的时间系统，简称GPST。
GPST属原子时系统，它以物质内部原子运动的特征为基础的原子时间系统。因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定性和复现性，所以由此而建立的原子时(atomic time，AT)，便成为当代最理想的时间系统。其秒长为国际制秒(SI)，与原子时相同，但其起点与国际原子时(MT)不同。因此，GPST与IAT之间存在一个常数差，它们的关系为
IAT-GPST=19″
GPST与协调时(UTC)规定于1980年1月6日０时相一致，其后随着时间成整倍数积累，至1987年该差值为4s。
GPST由主控站原子钟控制。
1.3 GPS卫星信号
GPS卫星信号包括测距码信号(P码和C/A码信号)、导航电文或称D码(数据码信号)和载波信号。
1.3.1 GPS卫星的测距码信号
GPS卫星发射的测距码信号包括C/A码和P码，它们都是二进制伪随机噪声序列，具有特殊的统计性质。
GPS卫星发射两种测距码信号，即C/A码和P码，两者都是伪随机噪声码，以下分别介绍它们的产生、特点和用途。
C/A码有如下2个特点：
1) C/A码的码长很短，易于捕获。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播的时延，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有1023个码元，所以若以每秒50码元的速度搜索，只需要约20.5s便可完成。
由于C/A码易于捕获，而且通过捕获的C/A码所提供的信息，又可以方便地捕获P码。所以通常C/A码也称为捕获码。
2) C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/l0~1/100，则这时相应的测距误差可达29.3～2.9m。由于其精度较低，所以C/A码也称为粗码。
P码由两组各有两个12级反馈移位寄存器的电路发生，其基本原理与C/A码相似，但其线路设计细节远比C/A码复杂并且严格保密。
1.3.2 GPS卫星的导航电文
GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由C/A码捕获P码的信息。导航电文同样以二进制码的形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。
1.3.3 GPS卫星星历
GPS系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一种方式是通过导航电文中的数据块Ⅱ直接发射给用户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由GPS系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传向用户提供。称为后处理星历。
1. 预报星历
预报星历是指相对参考历元的外推星历。参考历元瞬间的卫星星历(即参考星历)，由GPS系统的地面监控站根据大约一周的观测资料计算而得，为参考历元瞬间卫星的轨道参数。在其邻近时刻。由于摄动力影响，卫星的实际轨道将逐渐偏离参考轨道，且偏离的程度取决于观测历元与参考历元问的时间间隔。
因此，为了保证预报星历的精度。采用限制外推时间间隔的方法。GPS卫星的参考星历每小时更新一次，参考历元选在两次更新星历的中央时刻，这样由参考历元外推的时间间隔限制为0.5h。
预报星历的内容包括：参考历元瞬间的开普勒轨道6参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻参数和星历数据龄期，共计17个星历参数。用户接收机在接收到卫星播发的导航电文后，通过解码即可直接获得预报星历。由于预报星历是以电文方式由卫星直接播送给用户接收机，因此又称为广播星历。目前广播星历的精度，估计约为20m。
由于GPS卫星的广播星历包含外推误差，因此它的精度受到限制，不能满足某些从事精密定位工作的用户的要求。例如，在应用GPS技术作地球动力学研究时，要求达到10-7甚至10-8的定位精度，相应的卫星星历精度就要求达到米级甚至分米级。广播星历显然不能适应这种高精度定位的要求。
2. 后处理星历
后处理星历是不含外推误差的实测精密星历，它由地面跟踪站根据精密观测资料计算而得，可向用户提供用户观测时刻的卫星精密星历，其精度可达米级甚至分米级。但是，用户不能实时通过卫星信号获得后处理星历，只能在事后通过INTERNET网、电传、磁带等通讯媒体向用户传递。
目前获得精密星历比较方便而有效的方法，是直接在IGS网站上下载其数据产品。IGS(international GPS setvice for geodynamics)由国际大地测量协会组建，其目的是为大地测量与地球动力学研究提供GPS数据服务，包括提供全球GPS跟踪站数据和精密星历等。
IGS由1994年起开始正式运作。它的数据处理中心收集全球50多个(GPS永久跟踪站的观测数据，通过分析、处理及时产生IGS GPS数据产品。内容包括：高精度的GPS卫星星历，地球自转参数，各IGS跟踪站的坐标和速度，GPS卫星与跟踪站的时钟信息和电离层信息。目前，IGS发布的GPS卫星星历精度优于30cm，GPS卫星钟的钟差精度优于5ns，极移精度优于0.0005″，日长变化精度优于0.5ms/d，跟踪站坐标(一年解)精度为3～30mm。
IGS星历文件采用SP3格式给出，提供157min等间隔点上的卫星坐标和速度，坐标系统属全球ITRF参考框架，通过INTERNET网可从IGS数据处理中心免费获得。
1.4 GPS信号接收机
GPS信号接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备。
1.4.1 GPS信号接收机的基本工作原理
GPS信号接收机从结构上可分为天线单元和接收单元两大部分。天线单元的主要功能是将GPS卫星信号的非常微弱的电磁波能转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收单元的主要功能则是对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理和测量。
1．天线单元
GPS信号接收机的天线单元由接收天线和前置放大器两部分组成。天线的基本作用是把来自卫星的微弱能量转化为相应的电流量。而前置放大器则是将GPS信号电流予以放大，并进行变频，即将中心频率为1575.42MHz(L1载波)与1227.60MHz(L2载波)的高频信号变换为低一两个数量级的中频信号。
2．接收单元
GPS信号接收机的接收单元主要由信号通道单元、存储单元、计算和显示控制单元、电源等四个部分组成。
信号通道足接收单元的核心部分，由硬件和软件组合而成。每一个通道在某一时刻只能跟踪一颗卫星。当某颗卫星被锁定后，该卫星便占据这一通道直到信号失锁为止。因此，目前大部分接收机均采用并行多通道技术，可同时接收多颗卫星信号。对于不同类型的接收机，信号通道的数目也由1到12不等。现在一些厂家已推出可同时接收GPS卫星和GLONASS卫星信号的接收机，其信号通道多达24个。信号通道有平方型、码相位型和相关型等3种不同类型，它们分别采用不同的解调技术。
GPS信号接收机内都设有存储器以存储所解译的GPS 卫星星历、伪距观测量和载波相位观测量，以及各种测站信息数据。
1.4.2 GPS信号接收机分类
GPS信号接收机可按接收机工作原理、用途、接收机接收的卫星信号频率、信号通道数目等分成许多不同的类型，现介绍如下：
1．根据接收机的工作原理分类
根据接收机的工作原理，接收机可分为：码相关型接收机；平方型接收机；混合型接收机。
1) 码相关型接收机采用码相关技术测定伪距观测量。这类接收机要求知道伪随机噪声码的结构，由于P码对非特许用户保密，所以这类接收机又分为C/A码接收机和P码接收机。C/A码接收机供一般用户使用，P码接收机专供特许用户应用。目前国内销售的导航型接收机都是C/A码接收机。
2) 平方型接收机是利用载波信号的平方解调技术去掉调制信号获取载波信号的，并通过计算机内产生的载波信号与接收到的载波信号间的相位差测定伪距。这类接收机无需知道测距码的结构，所以又称为无码接收机。
3) 混合型接收机则综合以上两类接收机的优点，既可获取码相位伪距，又可测定载波相位观测量。目前大部分测量型接收机都属于这种类型。
2．根据接收机的用途分类
GPS信号接收机按其用途可以分为：导航型；测量型；授时型。
1) 导航型接收机可以确定船舶、车辆、飞机和导弹等运动载体的实时位置和速度，主要用于导航，即保障上述运动载体按预定的路线航行。这种接收机都是采用C/A码伪距单点实时定位，精度较低(25～100m)。但它的结构简单，操作方便.价格便宜，应用十分广泛。导航型接收机又可分为：低动态型，中动态型高动态型3种。低动态型主要是指车载和船载导航型接收机；中动态型是指用于飞行速度低于400km/h的民用机载接收机；而高动态型则是指用于飞行速度大于400km/h的飞机、导弹的机载接收机，拥有这类接收机的用户往往为特许用户，可利用P码，因此定位精度较高，可达±2m左右。
2) 测量型GPS信号接收机早期主要用于大地测量和工程控制测量.一般均采用载波相位观测量进行相对定位，通常定位精度可在厘米级甚至更高。近年来测量型接收机在技术上取得了重大进展，开发出实时差分动态定位(RTD GPS，real time differential GPS)技术和实时相位差分动态定位(RTK GPS，real time kinematic GPS)技术。前者以伪距观测量为基础，可实时提供流动测站米级精度的坐标；后者以载波相位观测量为基础，可实时提供流动测站厘米级精度的坐标。RTD主要用于精密导航和海上定位；RTK则主要用于精密导航、工程测量、三维动态放样、一步法成图等许多方面，并成为地理信息系统采集数据的重要手段。一些GPS信号接收机制造厂家，也都纷纷推出具有RTD或者RTK功能的GPS信号接收机。某些测量型接收机，也可以升级RTD功能或者RTK功能。更有一些生产厂家，把具有RTK功能的GPS信号接收机.称GPS全站仪。测量型GPS信号接收机结构复杂，通常配备有功能完善的数据处理软件，因此其价格也比较昂贵。
3) 授时型接收机主要用于天文台或地面_旌控站进行时问频标的同步测定。
3.根据接收机接收的卫星信号频率分类
根据接收机接收的卫星信号频率，接收机可分为单频接收机、双频接收机、多频接收机。
1) 单频接收机只能接收L1载波信号。虽然可利用导航电文提供的参数，对观测量进行电离层影响的改正，但是由于电离层改正模型目前尚不完善，影响定位精度。因此，单频接收机通常用于基线较短的精密定位和导航，以便构成双差模型时可以有效地消除电离层影响。应用单频机测量的基线长度，一般不宜超过15km。
2) 双频接收机可以同时接收Ll和L2载波信号，这样应用双频技术即可有效消除电离层影响。又可提高定位精度。双频接收机可用于长达几千公里的精密定位，其价格也比单频机贵得多。
3) 多频接收机可以在接收L1和L2载波信号的同时，接收GPS最新增加的L2C或L5载波信号。
4.根据接收机的通道数目分类
根据接收机的通道数目，接收机可分为多通道接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接收机等不同类型。
1) 多通道接收机具有多个卫星信号通道，而每个信号通道只连续跟踪一颗卫星信号。来自天空中不同卫星的信号，分别在不同的通道中处理、测量获得不同卫星信号的观测量。这种接收机的优点是可以对卫星进行连续跟踪，并可获得GPS卫星的广播星历。其缺点是由于通道多，所以价格高，并且通道之间有时延差。
2) 序贯通道接收机只有一个通道。为了跟踪多颗卫星的信号，需在相应软件的控制下，按时序顺次对各颗卫星的信号进行跟踪和测量。由于顺序对各颗卫星测量一个循环所需时间较长(数秒钟)，当对一颗卫星信号进行测量时，将丢失另外一些卫星信号的信息。所以，这类接收机对卫星信号的跟踪是不连续的，并且也不能获得完整的导航电文。为了获得导航电文.往往需要再设一个通道。序贯通道接收机结构简单，体积小，重量轻，在早期导航型接收机常被采用。
3) 多路复用通道接收机，同样只设一、二个通道，也是在相应软件控制下按顺序测量卫星信号。但它测量一个循环所需的时间要短得多，通常不超过20ms。因此可保持对GPS卫星信号的连续跟踪，并可同时获得多颗星完整的导航电文。这类接收机的信噪比低于多通道接收机。

第二章 GPS定位原理及误差来源
GPS卫星定位测量是通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定测站坐标的，本章介绍GPS定位的基本原理和GPS测量误差的来源及其消除方法。
2.1 GPS定位方法分类
应用GPS卫星信号进行定位的方法，可以按照用户接收机天线在测量中所处的状态，或者按照参考点的位置，分为以下几种。
2.2.1 静态定位和动态定位
如果在定位过程中，用户接收机天线处于静止状态，或者更明确地说。待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位置的定位测量就称为静态定位。由于地球本身在运动，因此严格地说，接收机天线所谓静止状态，是指相对周围的固定点天线位置没有可察觉的变化，或者变化非常缓慢，以致在观测期内察觉不出而可以忽略。
在进行静态定位时，由于待定点位置固定不动，因此可通过大量重复观测提高定位精度。正是由于这一原因，静态定位在大地测量、工程测量、地球动力学研究和大面积地壳形变监测中，获得了广泛的应用。随着快速解算整周待定值技术的出现，快速静态定位技术已在实际工作中使用，静态定位作业时间大为减少，从而在地形测量和一般工程测量领域内也将获得广泛的应用。
相反，如果在定位过程中，用户接收机天线处在运动状态，这时待定点位置将随时间变化。确定这些运动着的待定点的位置，称为动态定位。例如，为了确定车辆、船舰、飞机和航天器运行的实时位置，就可以在这些运动着的载体上安置GPS信号接收机，采用动态定位方法获得接收机天线的实时位置。
2.2.2 绝对定位和相对定位
根据参考点的不同位置，GPS定位测量又可分为绝对定位和相对定位。绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收机天线(即待定点)在协议地球坐标系中的绝对位置。由于定位作业仅需使用一台接收机，所以又称为单点定位。
单点定位外业工作和数据处理都比较简单，但其定位结果受卫星星历误差和信号传播误差影响较显著，所以定位精度较低。这种定位方法，适用于低精度测量领域，例如船只、飞机的导航。海洋捕鱼，地质调查等。
近年国内外一些学者开展了基于国际IGS精密卫星轨道参数和卫星钟差的“非差相位精密单点定位”的研究，以实现单台双频接机实时动态定位(precise point position)简称PPP。这是一种非常具有应用前景的单点定位技术。
如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心相对参考点的位置，则称为相对定位。由于相对定位至少使用两台以卜接收机，同步跟踪4颗以上GPS卫星，因此相对定位所获得的观测量具有相关性，并且观测量中所包含的误差也同样具有相关性。采用适当的数学模型，即可消除或者削弱观测量所包含的误差，使定位结果达到相当高的精度。相对定位既可作静态定位，也可作动态定位，其结果是获得各个待定点之间的基线向量，即三维坐标差：△x，△y，△z。目前，静态相对定位由于其精度可达10。～10.所以仍旧是精密定位的基本模式。随着整周待定值快速逼近技术所取得的进展，快速静态相对定位方法
目前已被采用，并且已在某些应用领域内取代传统的静态相对定位方法。此外，还有一种准动态相对定位作业模式，它也是一种快速定位技术，但其定位精度不理想，且要求在作业过程中不能失锁，因此应用不广。
在动态相对定位技术中，差分定位即DGPS定位(differential global positioning system)受到了普遍重视。在进行DGPS定位时，一台接收机被安置在参考点上固定不动，其余接收机则分别安置在需要定位的运动载体上。固定接收机和流动接收机可分别跟踪4颗以上GPS卫星的信号，并以伪距作为观测量。根据参考点的已知坐标，可计算出定位结果的坐标改正数或距离改正数.并可通过数据传输电台(数据链)发射给流动用户，以改进流动站定位结果的精度。
DGPS是建立在C/A码伪距测量基础上的一种实时定位技术，其定位精度为米级，主要用于导航、地质勘探、水深和水下地形测量等精度要求不太高的测量项目。近期开发的一种实时动态定位技术称为RTK(real time kinematic)GPS测量，采用了载波相位观测量作为基本观测量，能够达到厘米级的定位精度。在RTK GPS测量作业模式下，位于参考站的(3PS接收机，通过数据链将参考点的已知坐标和载波相位观测量一起传输给位于流动站的GPS接收机，流动站的GPS接收机根据参考站传递的定位信息和自己的测量成果，组成差分模型并进行基线向量的实时解算，可获得厘米级精度的定位结果。RTK GPS测量极大地提高了GPS测量的工作效率，特别适用于各类工程测量以及各种用途的大例尺测图或GPS数据采集，为GPS测量开拓了更广阔的应用前景。
2.2 GPS 静态定位原理
GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机的点位，即观测站的位置。
GPS定位方法的实质，即是测量学中的空间距离后方交会。如下图所示：

在１个观测站上，有4个独立的卫星距离观测量。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

上述四个方程式中x、y、z为待测点坐标，Vto为接收机的钟差为未知参数，其中di=c△ti，(i=1、2、3、4)，di分别为卫星ｉ到接收机之间的距离，△ti 分别为卫星ｉ的信号到达接收机所经历的时间，xi 、yi 、zi为卫星ｉ在t时刻的空间直角坐标，Vti为卫星钟的钟差，c为光速。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto。
这时候就有人说了，干嘛要四颗卫星呢三颗不就够了吗？想想还蛮有道理的，三个球面，交汇于一点，不就可以定出接收机所在的位置了吗？但是实际上，GPS接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标即经度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时，才能完成包含高度的3D定位。这是为什么呢？
问题出在时间上。先来看一颗卫星，它在一个规定的时间发送一组信号到地面，比如说每天8：00整开始发送一组信号，如果地面接收机就在8点零2秒收到了这一组信号，那么就是说信号从卫星到接收机的距离是电波花2秒能够跑到的距离，由于这颗卫星的位置和电波的速度已知，那么就可以肯定接收机就在以卫星为球心的一个球面上，那么再多测2个卫星的距离，就可以得到3个空间球，3个空间球的交点只有2个，那么逻辑排除一个不在地球表面的，剩下的就是接收机的位置。这就是我们所想象的三颗卫星可以定位的情形。但是，这只是假象的情况，卫星和接收机的距离如此之近，以至于卫星和接收机的时钟必须完全同步和准确，否则距离偏差会很大。实际上，如果接收机这端不配备一个銫原子钟的话，定出来的位置肯定差了个十万八千里。銫原子钟的价格非常的昂贵，所以，由于时间需要校准，这就需要四颗卫星。可以从方程里看到，时间都不是绝对时间，都是以卫星之间的钟差来计量的。由此可知，由于GPS采用了单程测距原理，同时卫星钟与用户接收机钟，又难以保持严格同步，所以，实际观测的测站至卫星之间的距离，均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响（故习惯上称之为伪距）。关于卫星钟差，我们可以应用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，而接收机的钟差，一般难以预先准确的确定。所以，通常均把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在１个观测站上，为了实施求解４个未知参数（３个点为坐标分量和１个钟差参数），便至少需要４个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测４颗卫星。
应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态不同，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。
当用户接收设备安置在运动的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位。动态绝对定位，一般只能得到没有（或很少）多余观测量的实时解。这种定位方法被广泛地应用于飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。另外，在航空物探和卫星遥感也有着广泛地应用。
当接收机天线处于静止状态地情况下，用以确定观测站绝对坐标的方法，称为静态绝对定位。这时，由于可以连续观测卫星到接收机位置的伪距，可以获得充分的多余观测量，以便在测后，通过数据处理提高定位的精度。静态绝对定位法主要用于大地测量，以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对位置。
目前无论是动态绝对定位或静态绝对定位，所依据的观测量都是所测卫星至观测站的伪距，所以，相对的定位方法，通常也称伪距定位法。
因为根据观测量的性质不同，伪距有测码伪距和测相伪距之分，所以，绝对定位又可分为，测码绝对定位和测相绝对定位。
2.2.1 静态绝对定位原理
绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系（例如WGS-84坐标系）中，直接确定观测站，相对于坐标系原点绝对坐标的一种定位方法。“绝对”一词，主要是为了区别以后将要介绍的相对定位方法。绝对定位和相对定位，在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则上