2.3 卫星定位方法及定位误差
从原理上讲，GPS观测的是距离，通过所测量到的距离与位置之间的关系，反推出所要确定的位置在 WGS84 坐标系中的三维坐标。对于距离的测量，是通过测量信号的传输时间，或测量所收到的GPS卫星信号与接收机内部信号的相位差而导出。GPS使用所谓的单向（one way）方法，需要使用两台时钟，一台在卫星上，而另一台在接收机内部。由于两台时钟存在误差，所测得的距离也有误差，因此，这种距离称为“伪距”（Pseudo Range）。GPS提供的信息不仅可以利用伪随机码测伪距，还可以利用载波信号，进行载波相位测量和积分多普勒测量，并进行定位。载波相位测量具有很高的定位精度，广泛用于高精度测量定位。积分多普勒测量所需观测时间一般较长，精度并不很高，故未获广泛应用。
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，分为静态定位与动态定位；或者按照参考点的位置，分为绝对定位和相对定位。
2.3.1 静态定位
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。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来提高定位精度。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大量使用，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获得广泛的应用。
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作为参考点，确定接收机天线（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工作，所以又称为单点定位。单点定位作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为显著，所以定位精度较低，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。如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相对参考点的位置，则称为相对定位。由于相对定位至少使用两台以上的接收机，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。
静态绝对定位是指在接收机天线处于静止状态下，确定测站的三维地心坐标。定位所依据的观测量是根据码相关测距原理测定的卫星至测站间的伪距。由于定位仅需要使用一台接收机，速度快，灵活方便，且无多值性问题等优点，广泛用于低精度测量和导航。GPS静态绝对定位的精度受两类因素影响，一类是影响伪测距精度的因素，如卫星星历精度、大气层折射等；另一类则是卫星的空间几何分布。
静态绝对定位模式将两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测4颗以上的在轨卫星，确定基线两端点的相对位置。在实际工作中，常常将接收机数目扩展到3台以上，同时测定若干条基线，不仅提高了工作效率，而且增加了观测量，提高了观测成果的可靠性。静态绝对定位由于受到卫星轨道误差，接收机时钟不同步误差以及信号传播误差等多种因素的干扰，其定位精度较低，2～3h 的 C/A 码伪距绝对定位精度约为+20m，远不能满足大地测量精密定位的要求。而静态相对定位，由于采用载波相位观测量以及相位观测量的线性组合技术，极大地削弱了上述各类定位误差的影响，其定位相对精度高达10−6～10−7，是目前GPS定位测量中精度最高的一种方法，广泛应用于大地测量、精密工程测量以及地球动力学研究。
静态相对定位采用载波相位观测量为基本观测量，载波的波长短，测量精度远高于码相关伪距测量的测量精度，并且采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效地削弱卫星星历误差、信号传播误差以及接收机时钟不同步误差对定位结果的影响。天线长时间固定在基线两端点上，可保证取得足够多的观测数据，从而可以准确确定整周未知数。上述这些优点，使得静态相对定位可以达到很高的精度。实践证明，在通常情况下，采用广播星历定位精度可达 10−6～10−7；如果采用精密星历和轨道改进技术，那么定位精度可以提高到10−9～10−10。如此高的定位精度，是常规大地测量望尘莫及的。
当然，静态相对定位也存在缺点，即定位观测时间过长。在跟踪4颗卫星的情况下，通常要观测1～1.5h，甚至更长的时间。长时间观测影响了GPS定位测量的功效，因此近年来又发展出一种整周未知数快速逼近技术，可以在短时间快速确定整周未知数，使得定位测量时间缩短到几分钟，为GPS定位技术开辟了更广阔的应用前景。
2.3.2 动态定位
与静态定位相反，如果在定位过程中，用户接收机天线处于运动状态，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。如果所求的状态参数不仅包括三维坐标参数，还包括物体的三维速度，以及时间和方位等参数，这种动态定位也可称为导航。
GPS 动态定位方法主要有：单点动态绝对定位法和实时差分动态定位法。随着 GPS 定位技术（包括仪器设备和数据处理）的不断完善，实时差分动态定位，从精度为米级的位置差分和伪距差分，发展到具有厘米级精度的实时动态（RTK，Real-Time Kinematic）定位技术，以及可以在较大区域范围内实现实时差分动态定位的广域差分法、增强广域差分法，GPS动态定位技术有着极其广阔的应用领域。
GPS 绝对定位主要是以 GPS 卫星和用户接收机天线之间的距离为基本观测量，并利用已知的卫星瞬时坐标来确定接收机天线对应的点位在协议地球坐标系中的位置。动态绝对定位是确定处于运动载体上的接收机在运动的每一瞬间的位置。由于接收机天线处于运动状态，故天线点位是一个变化的量，因此确定每一瞬间坐标的观测方程只有较少的多余观测，甚至没有多余观测，且一般常利用测距码伪距进行动态的绝对定位。因此，其精度较低，一般只有几十米的精度，在美国政府选择可用性（SA，Selective Availability）政策影响下，其精度甚至低于百米，通常这种定位方法只用于精度要求不高的飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。
虽然动态绝对定位作业简单，易于快速实现实时定位，但是由于定位过程中受到卫星星历误差、钟差及信号传播误差等诸多因素的影响，其定位精度不高，限制了其应用范围。由于GPS测量误差具有较强的相关性，因此可以在GPS动态定位中引入相对定位作业方法，即GPS动态相对定位。该作业方法实际上是两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相对位置实现的，这种定位方法也叫差分GPS定位。
动态相对定位分为以测距码伪距为观测值的动态相对定位和以载波相位伪距为观测值的动态相对定位。测距码伪距动态相对定位，由安置在点位坐标精确已知的基准接收机测量出该点到GPS卫星的伪距D0，该伪距中包含卫星星历误差、钟差、大气折射误差等各种误差的影响。此时，由于基准接收机的位置已知，利用卫星星历数据可以计算出基准站到卫星的距离D1，伪距D1也同样包含相同的卫星星历误差，如果将两个距离求差，即D=D0-D1，则D中包含钟差、大气折射误差，当运动的信号接收机与基准站相距不太远时，两站的误差具有较强的相关性。因而，如果将距离差值作为距离改正参数传递给用户信号接收机，用户便得到一个伪距修改值，可以有效地消除或削弱一些公共误差的影响，以此可以大大提高定位的精度。鉴于载波相位测量的精度要高于测距码伪距测量的精度，因此可以将载波相位测量用于实时GPS动态相对定位。载波相位动态相对定位，是通过将载波相位修正值发送给用户站来改正其载波相位实现定位的，或是通过将基准站采集的载波相位观测值发送给用户站进行求差解算坐标实现定位的。高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并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，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。常规的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它的出现为工程放样、地形测图等各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了定位作业效率。其定位精度在小区范围内（<30km）可达1～2cm，是一种快速且高精度的定位法。
2.3.3 定位误差
正如其他测量工作一样，卫星测量同样不可避免地受到测量误差的干扰。按误差性质来讲，影响卫星测量精度的误差主要是系统误差和偶然误差。其中，系统误差的影响又远大于偶然误差，相比之下，后者的影响甚至可以忽略不计。从误差来源分析，测量误差大致可以分为与卫星有关的误差、与卫星信号传播有关的误差、与卫星信号接收机有关的误差3大类。
与卫星有关的误差主要是GPS卫星轨道描述和卫星钟模型的偏差。卫星轨道参数和钟模型是由GPS卫星广播的导航电文给出的，但实际上卫星并不确切地位于广播电文所告诉的位置。卫星钟，即使用广播的钟模型校正，也并非完全与GPS系统时间同步。这些误差在卫星之间是不相关的，它们对码伪距测量和载波相位测量的影响相同，而且这些偏差与地面跟踪台站的位置和数目、描述卫星轨道的模型以及卫星在空间的几何结构有关。
与卫星信号传播有关的误差包括与卫星信号传输路径和观测方法有关的误差，如电离层和对流层延迟、载波相位周期模糊度等。
与接收机有关的误差主要是接收机钟偏差和测站坐标不确定性引起的偏差，后一种偏差是针对非定位应用的，如GPS时间传输和卫星轨道跟踪。在非定位应用情况下，接收机位置，假设是完全已知的或有某种不确定性（理论上后者更合适），因为地面站的位置不可能完全已知，因此通常是把位置作为非定位参数待估计的。很明显，要想更准确地预测轨道，地面站的位置就应该更精确。
误差通常与某些变量如时间、位置和温度等具有函数关系，因此偏差的影响可以用对偏差源建模的方法进行消除或者抑制。
此外，地球自转和相对论效应会带来定位误差。卫星在协议地球坐标系中的瞬间位置是根据信号发送的瞬时时刻计算的，当信号到达测站时，由于地球自转的影响，卫星在上述瞬间的位置也产生了相应的旋转变化，因此，相对于卫星瞬时位置，应加地球自转改正。根据相对论原理，处在不同运动速度中的时钟振荡器会产生频率偏移，引力位不同的时钟之间会产生引力频移现象。在进行GPS定位测量时，由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同，即它们的运动速度和引力位不同，二者的时钟会产生相对钟差，称为相对论效应。