从空间如何测绘地球

　　——GPS卫星定位系统是这样工作的

　　科学技术的不断发展，为人类从总体上认识地球提供了能力和条件。我们的祖先花费了1000多年才大致搞清楚海陆的轮廓，又花费了约300年，只对大陆的30%的面积进行了地理探险和地形测量；后来人们用传统的航空摄影技术测绘陆地70%的面积，只用了50年。现在采用遥感卫星，更是每天都在采集全球的图像和数据。

　　目前，卫星和地面观测及复杂的计算机模拟，在研究地球系统时发挥着不可替代的重要作用。特别是卫星航天技术形成的对地观测系统，能提供全球性、重复性的连续对地观测数据，将使我们有可能源源不断地获取地球随时间变化的几何和物理信息。现在已普遍采用的全球卫星定位系统(Global Positioning System，简称GPS)，就是直接测定地面点大地经纬度和大地高的。

　　GPS卫星定位系统是20世纪70年代末由美国国防部主持发展起来的，它由24颗高约2万千米的卫星网络组成。这24颗卫星分布在6个均匀配置的轨道上。卫星这样的分布，主要是为了在地球表面任一地点均可同时接收到4颗以上卫星信号。卫星定位是在地心空间大地直角坐标系中进行的，这一坐标系和地心大地坐标系可以通过几何关系互相转换。卫星定位的基本原理可以粗略地理解为电磁波测距交会法。那么，GPS如何实现对地面点的准确定位呢？

　　GPS定位是由地面专用GPS接收机同时接收4～8颗GPS卫星发射的电磁波信号，通过接收机中的一种多普勒计数部件，结合推算方法，就可以得出某一特定频率电磁波信号从卫星传播到GPS接收机站的整波(周)数，再加上记录到的不足一周的小数部分，根据电磁波测距原理，利用已知的波长，即可计算出每颗卫星到GPS接收机站的距离。这时卫星在每一时刻的坐标是已知的(即已知卫星的星历)，这样我们可以利用至少三颗卫星至地面GPS接收机站的距离和卫星的已知坐标，按照空间距离交会法求出待定站的坐标。所有卫星星历(或坐标)都要借助若干已知精密点位坐标的地面跟踪站。这些跟踪站的精密GPS接收机同时跟踪每颗卫星在一个时间序列上的空间位置，这就是对高速运动着的卫星在其轨道上的“空间位置采样”。由此解算卫星轨道动力方程，实现卫星的定轨和轨道的预报，并制作卫星星历。卫星星历由美国专门机构定时在因特网上发布，同时“注入”GPS卫星计算机，并在GPS信号中包含精度较低的GPS卫星星历。

　　由此可知，GPS地面跟踪站的作用在本质上仍是将其已知点的坐标“传递”给GPS卫星；而GPS卫星对地面接收机站的定位作用，又是将卫星的已知空间点的坐标“传递”给GPS测站。GPS卫星在此起到了“传递”跟踪站(又称基准站)坐标的中介或者说中继作用，由此实现了全球尺度的坐标“传递”，这就是整个GPS定位的基本原理。

　　全球定位系统主要由三大部分组成，即空间

　　用户GPS接收机由主机和专用天线组成，总重不过几千克甚至更轻。主机放在附近室内或帐篷内，用同轴电线跟天线相连。当进行GPS定位时，将天线的中心轴线尽可能对准观测点标石上的点位标志中心。接通电源开机后，主机按定位要求借助机上按键在屏幕上设置某些有关观测条件的指令性参数。于是，接收机便自动搜索和跟踪卫星，以便接收和记录卫星信号。机内电脑对信号进行自动处理，几秒钟之内，就可以在接收机屏幕上读到所在测站点的地心空间大地直角坐标系坐标，以及地心大地坐标系的坐标，其精度大致可达到30～40米的水平。整个观测过程无需人工干预。如果要进一步提高定位精度，可延长观测时间，并在若干不同点设置GPS接收机作同步(时)观测。观测结束回到室内将多台GPS接收机内的观测数据“倒出”来，并输入到计算机中，进行事后同步观测定位的计算，其中要从因特网上或其他途径获得更精密的GPS卫星星历来参与计算。这种经事后处理的定位精度，可提高到厘米级甚至毫米级的水平。GPS定位是目前测定地面点地理坐标(大地坐标)最主要和普遍的方法。

　　(节选自《数字地球与测绘》，百科知识杂志社编辑整理）