【正文】 前，GPS精密定位技術(shù)已經(jīng)廣泛地滲透到經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)等許多領(lǐng)域，如大地測量、資源勘測、航空、衛(wèi)星遙感、運(yùn)動物件的定位和測速以及精密時間的傳遞。整個GPS系統(tǒng)由三部分組成：空間部分；地面控制部分；用戶設(shè)備部分。（1）空間部分—GPS衛(wèi)星星座全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個軌道面內(nèi)，每個軌道面上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角為55o，各軌道平面升交點的赤經(jīng)相差60o。在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差30o，軌道平均高度約20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分。因此，同一觀測站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間和地點而異，最少為4顆，最多可以達(dá)11顆。（2）地面控制部分(地面監(jiān)控系統(tǒng))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(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)其作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)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(jù)各監(jiān)控站對GPS的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時，它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調(diào)度備用衛(wèi)星。替代失效的工作衛(wèi)星工作；另外，主控站也具有監(jiān)控站的功能。監(jiān)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)、狄哥伽西亞(Diego Garcia)、卡瓦加蘭(Kwajalein)，監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀態(tài)；注入站有三個，它們分別位于阿松森群島(Ascencion)、狄哥伽西亞(Diego Garcia)、卡瓦加蘭(Kwajalein)，注入站的作用是將主控站計算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去。（3）用戶設(shè)備部分（主要是各種型號的接收機(jī)）GPS接收機(jī)可以捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。 GPS系統(tǒng)原理及其特點GPS系統(tǒng)原理是利用GPS進(jìn)行定位的基本原理，就是把衛(wèi)星視為“飛行”的控制點，在已知其瞬時坐標(biāo)的條件下，以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間距離或距離差為觀測值，進(jìn)行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機(jī)天線所處的位置。GPS定位的方法主要有兩類：偽距法、載波相位測量法。下面簡要介紹一下這兩種定位方法的原理。（1）偽距法定位原理GPS定位采用的是被動式單程測距。由于衛(wèi)星發(fā)射信號時刻由衛(wèi)星鐘確定，接收信號時刻由接收機(jī)鐘確定，因此在測定衛(wèi)星至接收機(jī)的距離中，不可避免的產(chǎn)生兩臺鐘不同步的誤差影響，由衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲實際測出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離有一定差值，所以稱其為偽距。偽距法定位原理是：在某一瞬時利用GPS接收機(jī)測定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)己知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用交會法即可求得接收機(jī)的三維坐標(biāo)和時鐘改正數(shù)。偽距法定位的數(shù)學(xué)模型為：[ ()2+()2+()2]1/2–cδtk=ρj+δρ+δρ–cδtj (21)式中：j衛(wèi)星號；ρj 接收機(jī)距第j顆衛(wèi)星的偽距，cδtk 接收機(jī)鐘差；cδtj第j顆衛(wèi)星號瞬間的鐘差，δρ，δρ分別為電離層和對流層的改正項。（2）載波相位定位原理載波相位測量采用波長較短的非碼測量系統(tǒng)，把載波作為量測信號，對載波進(jìn)行相位測量可以達(dá)到很高的精度。載波相位測量原理如下：若衛(wèi)星S發(fā)出一載波信號，該信號在某一時刻在接收機(jī)R處產(chǎn)生的相位為ФR，在衛(wèi)星S處的相位為ФS，若載波相位波長為A，則衛(wèi)星S至接收機(jī)R的距離為ρ=λ(ФSФR)，但無法測到ФS，如果使接收機(jī)的震蕩器產(chǎn)生一個頻率與初相和衛(wèi)星載波信號完全相同的基準(zhǔn)信號，就使問題迎刃而解，因為任何一個瞬間在接收機(jī)處的基準(zhǔn)信號的相位就等于衛(wèi)星處載波信號的相位。因此載波相位觀測量(ФSФR)就等于接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號與接收機(jī)產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號的相位之差Ф(rb)Ф(ra)，因此根據(jù)某一瞬間的載波相位測量值就可求得該瞬間從衛(wèi)星到接收機(jī)的距離ρ值。（3） GPS系統(tǒng)基本特點從1978年發(fā)射的第一顆GPS試驗衛(wèi)星至今，人們利用該系統(tǒng)進(jìn)行了大量的定位應(yīng)用及相關(guān)研究，GPS系統(tǒng)具有以下幾個主要特點：1）全球覆蓋連續(xù)導(dǎo)航定位。GPS有24顆衛(wèi)星，且分布科學(xué)合理，所以在地球上和近地空間上任何一點，均可以連續(xù)同步地觀測4顆以上衛(wèi)星，實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。2） 高精度三維定位。GPS能連續(xù)為各類用戶提供三維位置、三維速度和精確時間信息。3） 實時導(dǎo)航定位。利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航定位即可完成一次定位，對高動態(tài)用戶尤其重要。4） 被動式全天候?qū)Ш蕉ㄎ?。這種導(dǎo)航定位不僅除蔽性好，而且可以容納無數(shù)多用戶。5） 抗干擾性能好、保密性強(qiáng)。（4） GPS與傳統(tǒng)測量技術(shù)的比較GPS定位技術(shù)在各種控制測量中得到廣泛應(yīng)用，從1982年第一代測量型無碼GPS接收機(jī)投入市場以來，在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、應(yīng)用領(lǐng)域的開拓、硬件和軟件的開發(fā)等方面，都得到了蓬勃的發(fā)展。目前，GPS定位技術(shù)所達(dá)到的定位精度，使測量工作的模式，理念產(chǎn)生了革命性的變化，相對傳統(tǒng)的測量技術(shù)來說，GPS定位技術(shù)主要有以下特點：1) 兩站點之間不用通視。2) GPS測量精度受天氣(雨、雪、溫度高低和濕度大小)影響很小。3) GPS測量的速度快于傳統(tǒng)測量方式。4) GPS提供全球統(tǒng)一的坐標(biāo)結(jié)果。5) GPS測量的數(shù)字結(jié)果能方便地傳輸?shù)降貓D或GIS系統(tǒng)中。 GPS網(wǎng)的布設(shè)GPS網(wǎng)的設(shè)計需要考慮諸多因素，其核心是如何高質(zhì)量低成本完成既定的測量任務(wù)。GPS網(wǎng)的設(shè)計包括網(wǎng)型構(gòu)造、精度、基準(zhǔn)等方面的設(shè)計，此外對于外業(yè)工作具體實施，還應(yīng)考慮觀測時段、時間、測站位置的選擇，接收機(jī)的類型及數(shù)量，交通后勤等因素。GPS網(wǎng)是由同步圖形作為基本圖形擴(kuò)展延伸得到的，當(dāng)采用不同的連接方式時，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)隨之會有不同形狀。GPS網(wǎng)的布設(shè)就是如何將各同步圖形合理地銜接成一個有機(jī)整體，使之達(dá)到精度高，可靠性強(qiáng)，且作業(yè)量和作業(yè)經(jīng)費(fèi)少的要求。GPS網(wǎng)的布設(shè)按網(wǎng)的構(gòu)成形式分為：星形網(wǎng)、點連式網(wǎng)、邊連式網(wǎng)、網(wǎng)連式網(wǎng)。GPS控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計的一般原則：（1）GPS網(wǎng)中不應(yīng)存在自由基線。所謂自由基線是指不構(gòu)成閉合圖形的基線，由于自由基線不具備發(fā)現(xiàn)粗差的能力，因而必須避免出現(xiàn)，也就是GPS網(wǎng)一般應(yīng)通過獨(dú)立基線構(gòu)成閉合圖形。（2） GPS網(wǎng)中的閉合條件中基線數(shù)不可過多。網(wǎng)中各點最好有3條或更多基線分支，以保證檢核條件，提高網(wǎng)的可靠性，使網(wǎng)的精度、可靠性較均勻。（3） GPS網(wǎng)應(yīng)以“每個點至少獨(dú)立設(shè)站觀測兩次”的原則布網(wǎng)。這樣不同接收機(jī)數(shù)測量構(gòu)成的網(wǎng)之精度和可靠性指標(biāo)比較接近。（4） 為了實現(xiàn)GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，GPS網(wǎng)至少應(yīng)與地面網(wǎng)有2個重合點。研究和實踐表明，應(yīng)有3～5個精度較高、分布均勻的地面點作為GPS網(wǎng)的一部分，以便GPS成果較好地轉(zhuǎn)換至地面網(wǎng)中。同時，還應(yīng)與相當(dāng)數(shù)量的地面水準(zhǔn)點重合，以提供大地水準(zhǔn)面的研究資料，實現(xiàn)GPS大地高向正常高的轉(zhuǎn)換。（5） 為了便于觀察，GPS點應(yīng)選擇在交通便利、視野開闊、容易到達(dá)的地方。盡管GPS網(wǎng)的觀測不需要考慮通視的問題，但是為了便于用經(jīng)典方法擴(kuò)展，至少應(yīng)與網(wǎng)中另一點通視。在GPS測量中，與同步圖形相對應(yīng)的，還有非同步圖形或稱為異步圖形，即有不同時段的基線構(gòu)成圖形。GPS的網(wǎng)中的異步環(huán)實質(zhì)上僅起到了多余觀測的作用，是剔除粗差的有效手段。和傳統(tǒng)的測量手段相比，GPS外業(yè)操作中除了量取天線高度及儀器的對中整平外，幾乎沒有其它的人為誤差因素；對于在較短時間內(nèi)完成的一段GPS網(wǎng)，系統(tǒng)所引起的粗差會在整個網(wǎng)中體現(xiàn)，而單條基線只要觀測條件滿足，基線解算良好，應(yīng)認(rèn)為其結(jié)果可靠。控制網(wǎng)的可靠性是用于衡量網(wǎng)辨別粗差，抵抗粗差影響能力的度量指標(biāo)，一般分為內(nèi)可靠性指標(biāo)和外可靠性指標(biāo)。內(nèi)可靠性是指在一定的置信水平和檢驗功效下，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)中存在的粗差的最小值，即當(dāng)粗差為多大時，可以在網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)并指出。外可靠性是指不可發(fā)現(xiàn)的粗差對網(wǎng)的坐標(biāo)未知參數(shù)的影響，即未能發(fā)現(xiàn)的粗差對測量成果的影響值。進(jìn)行控制網(wǎng)的可靠性設(shè)計，首先應(yīng)給出相應(yīng)的可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即可靠性指標(biāo)的確定，由于GPS控制網(wǎng)觀測與傳統(tǒng)控制網(wǎng)大相徑庭，所以，GPS控制網(wǎng)可靠性指標(biāo)的確定，既有與傳統(tǒng)控制網(wǎng)相同的地方，也有許多不同之處。因此，可根據(jù)GPS網(wǎng)的特點，在網(wǎng)的設(shè)計階段考慮網(wǎng)的可靠性，以發(fā)現(xiàn)盡可能小的粗差和減少不可發(fā)現(xiàn)的粗差對網(wǎng)的坐標(biāo)未知參數(shù)的影響。GPS網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)網(wǎng)的用途，提出確定網(wǎng)的基準(zhǔn)的方法和原則。我們布設(shè)GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)包括網(wǎng)的位置基準(zhǔn)、方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)。而確定網(wǎng)的基準(zhǔn)，是通過網(wǎng)的整體平差來實現(xiàn)的。在GPS網(wǎng)的整體平差中，可能含有兩類觀測量，即相對觀測量和絕對觀測量。在僅含有相對觀測量的GPS網(wǎng)中，網(wǎng)的方向基準(zhǔn)和尺度基準(zhǔn)，由在平差計算中作為相關(guān)觀測量的基線向量唯一地確定。而網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，則決定于所取網(wǎng)點坐標(biāo)的近似值系統(tǒng)和平差方法。在GPS網(wǎng)包含點的坐標(biāo)觀測量的情況下，網(wǎng)的位置基準(zhǔn)，取決于這些網(wǎng)點的坐標(biāo)值及其精度。GPS網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計，一般主要是指確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)問題。通常可根據(jù)情況，選取以下方法來確定：（1）在網(wǎng)中選若干點的坐標(biāo)值并加以固定。（2）選網(wǎng)中若干點（直到全部點）的坐標(biāo)值并給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。1) 選取網(wǎng)中一點的坐標(biāo)值并加以固定，或給以適當(dāng)?shù)臋?quán)。2) 網(wǎng)中的點均不固定，通過自由網(wǎng)擬合平差，確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)。前兩種方法，對平差計算則存在若干約束條件，其約束條件的多少，取決于在網(wǎng)中所選點的數(shù)量，這種方法通常稱為約束法。而后兩種方法，對GPS網(wǎng)定位的約束條件最少，所以通常稱為最小約束法； 約束平差法，在確定網(wǎng)的位置基準(zhǔn)的同時，對GPS網(wǎng)的方向和尺度也會產(chǎn)生影響，其影響程度與約束條件的多少及所取觀測值的精度有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)中已知點的坐標(biāo)含有較大的誤差，或其權(quán)難以可靠地確定時，將會對網(wǎng)的定向與尺度產(chǎn)生不利的影響。雖然從理論上說，在網(wǎng)的平差計算中，給所有位置賦以適當(dāng)?shù)臋?quán)，是最為嚴(yán)格的方法，但是，如何確定已知位置的權(quán)，及其與網(wǎng)中其它觀測量權(quán)的比例關(guān)系，則是一個需要慎重考慮的問題。以最小約束法進(jìn)行GPS網(wǎng)的平差，對網(wǎng)的定向與尺度沒有影響，也就是說，不管采用上述哪種最小約束法，平差后網(wǎng)的方向和尺度，以及網(wǎng)中元素（邊長、方位或坐標(biāo)差）的相對精度都是相同的，但網(wǎng)的位置及點位精度卻不相同。在一般情況下，對于一些區(qū)域性的GPS網(wǎng)，如城市、礦山和工程GPS網(wǎng)，是否精確位于地心坐標(biāo)系統(tǒng)，并不特別重要，因此，這時應(yīng)多采用最小約束平差法。但對于一個大范圍的GPS網(wǎng)，而且要求精確地位于WGS84協(xié)議地球坐標(biāo)系時，或者在具有一組分布適宜的，高精度的已知點時，為改善GPS網(wǎng)的定向和尺度，考慮約束平差法才有意義。 GPS RTK測量原理 GPS RTK原理RTK又稱載波相位動態(tài)實時差分（Real time kinematic），是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，主要由兩部分組成，即基準(zhǔn)站和流動站?；鶞?zhǔn)站連續(xù)把觀測到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)射出去，流動站實時差分處理基準(zhǔn)站和流動站的載波相位觀測值，獲取所在點的坐標(biāo)、高程和精度指標(biāo)。能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度[2]。觀測時將一臺GPS接收機(jī)安裝在已知點（稱為基準(zhǔn)站）上對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測，同時將一些必要的數(shù)據(jù)如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、水準(zhǔn)面擬合參數(shù)、預(yù)設(shè)精度指標(biāo)等輸入控制手簿。將采集的的載波相位觀測量調(diào)制到基準(zhǔn)站電臺的載波上，再通過基準(zhǔn)站電臺發(fā)射出去。另一臺接收機(jī)置于流動站，流動站在對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測并采集載波相位觀測量的同時，也通過流動站電臺接收由基準(zhǔn)站電臺發(fā)射的信號，經(jīng)解調(diào)得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測量。流動站的GPS接收機(jī)再利用OTF(運(yùn)動中求解整周模糊度)技術(shù)由基準(zhǔn)站的載波相位觀測量和流動站的載波相位觀測量來求解整周模糊度，最后求出厘米級精度流動站的位置。并隨時將實測精度與預(yù)設(shè)精度指標(biāo)比較，一旦實測精度達(dá)到預(yù)設(shè)精度，實施記錄，本站測量結(jié)束（見圖21）。可見這種測量方法的關(guān)鍵是求解起始的整周模糊度即初始化，并能始終保持。因此RTK測量除要求有足夠數(shù)量的衛(wèi)星和衛(wèi)星具有較好的幾何分布外，還要求基準(zhǔn)站與流動站間的數(shù)據(jù)通訊必須良好。 發(fā)射線 天線 天線電源無線電接受系統(tǒng)控制器接收機(jī) 接收機(jī) 電源顯示控制器無線電發(fā)射系統(tǒng)基準(zhǔn)站 流動站 圖21 RTK原理圖RTK作業(yè)模式主要包括：（1）快速靜態(tài)測量，采用這種模式，要求GPS接收機(jī)在用戶站上靜止地進(jìn)行觀測。在觀測的過程中，連同接收基準(zhǔn)站的同步觀