測繪新手必須了解的RTK基礎知識

GPS的概念及組成

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統，是由美國建立的一個衛星導航定位系統，利用該系統，用戶可以在全球范圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測速；另外，利用該系統，用戶還能夠進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。

GPS計劃始于1973年，已于1994年進入完全運行狀態(FOC[2])。GPS的整個系統由空間部分、地面控制部分和用戶部分所組成：

1.空間部分

GPS的空間部分是由24顆GPS工作衛星所組成，這些GPS工作衛星共同組成了GPS衛星星座，其中21顆為可用于導航的衛星，3顆為活動的備用衛星。這24顆衛星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。衛星的運行周期約為12恒星時。每顆GPS工作衛星都發出用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作的。

2.控制部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干個跟蹤站所組成的監控系統所構成，根據其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監控站和注入站。

主控站有一個，位于美國克羅拉多（Colorado）的法爾孔（Falcon）空軍基地，它的作用是根據各監控站對GPS的觀測數據，計算出衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等，并將這些數據通過注入站注入到衛星中去；同時，它還對衛星進行控制，向衛星發布指令，當工作衛星出現故障時，調度備用衛星，替代失效的工作衛星工作；另外，主控站也具有監控站的功能。

監控站有五個，除了主控站外，其它四個分別位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星的工作狀態；注入站有三個，它們分別位于阿松森群島（Ascencion）、迭哥伽西亞（Diego Garcia）、卡瓦加蘭（Kwajalein），注入站的作用是將主控站計算出的衛星星歷和衛星鐘的改正數等注入到衛星中去.

3.用戶部分

GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備如計算機氣象儀器等所組成。它的作用是接收GPS衛星所發出的信號，利用這些信號進行導航定位等工作。以上這三個部分共同組成了一個完整的GPS系統。

GPS發射的信號

GPS衛星發射兩種頻率的載波信號，即頻率為1575.42MHz的L1載波和頻率為1227.60HMz的L2載波，它們的頻率分別是基本頻率10.23MHz的154倍和120倍，它們的波長分別為19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分別調制著多種信號，這些信號主要有：

1.C/A碼

C/A碼又被稱為粗捕獲碼，它被調制在L1載波上，是1MHz的偽隨機噪聲碼（PRN碼），其碼長為1023位（周期為1ms）。由于每顆衛星的C/A碼都不一樣，因此，我們經常用它們的PRN號來區分它們。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛星間的距離的一種主要的信號。

2.P碼、Y碼

P碼又被稱為精碼，它被調制在L1和L2載波上，是10MHz的偽隨機噪聲碼，其周期為七天。在實施AS時，P碼與W碼進行模二相加生成保密的Y碼，此時，一般用戶無法利用P碼來進行導航定位。

3.導航信息

導航信息被調制在L1載波上，其信號頻率為50Hz，包含有GPS衛星的軌道參數、衛星鐘改正數和其它一些系統參數。用戶一般需要利用此導航信息來計算某一時刻GPS衛星在地球軌道上的位置，導航信息也被稱為廣播星歷。

GPS定位原理

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，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如下圖所示，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個方程式：

上述四個方程式中待測點坐標x、 y、 z 和Vto為未知參數，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。

△ti (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經歷的時間。

c為GPS信號的傳播速度（即光速）。

四個方程式中各個參數意義如下：

x、y、z 為待測點坐標的空間直角坐標。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，

可由衛星導航電文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto 。

目前GPS系統提供的定位精度是優于10米，而為得到更高的定位精度，我們通常采用差分GPS技術：將一臺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，并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，并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。即是將基準站采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。大量應用于動態需要高精度位置的領域。

GPS定位的誤差源

我們在利用GPS進行定位時，會受到各種各樣因素的影響。影響GPS定位精度的因素可分為以下四大類：

1.與GPS衛星有關的因素

1）SA政策

美國政府從其國家利益出發，通過降低廣播星歷精度（技術）、在GPS基準信號中加入高頻抖動（技術）等方法，人為降低普通用戶利用GPS進行導航定位時的精度。

2）衛星星歷誤差

在進行GPS定位時，計算在某時刻GPS衛星位置所需的衛星軌道參數是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計算出的衛星位置都會與其真實位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。

3）衛星鐘差

衛星鐘差是GPS衛星上所安裝的原子鐘的鐘面時與GPS標準時間之間的誤差。

4）衛星信號發射天線相位中心偏差

衛星信號發射天線相位中心偏差是GPS衛星上信號發射天線的標稱相位中心與其真實相位中心之間的差異。

2.與傳播途徑有關的因素

1）電離層延遲

由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發生變化，這種變化稱為電離層延遲。電磁波所受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上電子總含量有關。

2）對流層延遲

由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應，使得GPS信號的傳播速度發生變化，這種變化稱為對流層延遲。電磁波所受對流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關。

3）多路徑效應

由于接收機周圍環境的影響，使得接收機所接收到的衛星信號中還包含有各種反射和折射信號的影響，這就是所謂的多路徑效應。

3.與接收機有關的因素

1）接收機鐘差

接收機鐘差是GPS接收機所使用的鐘的鐘面時與GPS標準時之間的差異。

2）接收機天線相位中心偏差

接收機天線相位中心偏差是GPS接收機天線的標稱相位中心與其真實的相位中心之間的差異。

3）接收機軟件和硬件造成的誤差

在進行GPS定位時，定位結果還會受到諸如處理與控制軟件和硬件等的影響。

4.其他

1）GPS控制部分人為或計算機造成的影響

由于GPS控制部分的問題或用戶在進行數據處理時引入的誤差等。

2）數據處理軟件的影響

數據處理軟件的算法不完善對定位結果的影響。