【正文】 不斷地發(fā)送導航與定位信息，并提供時間標準、衛(wèi)星本身的空間實時位置及其它在軌衛(wèi)星的概 略位置；接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘、備用衛(wèi)星等。 二、地面監(jiān)控部分 GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在全球的五個地面站組成，按其功能分為主控站 (MCS)、注入站 (GA)和監(jiān)測站 (MS)三種。 主控站一個，設在美國的科羅拉多的斯普林斯 (Colorado Springs)。 注入站又稱地面天線站，其主要任務是通過一臺直徑為 3． 6m的天線，將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。監(jiān)測站共有 5個，除上述 4個地 面站具有監(jiān)測站功能外，還在夏威夷 (Hawaii)設有一個監(jiān)測站。監(jiān)測站的主要任務是連續(xù)觀測和接收所有 GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號并監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況，將采集到的數(shù)據(jù)連同當?shù)貧庀笥^測資料和時間信息經(jīng)初步處理后傳送到主控站。 三、用戶設備部分 全球定位系統(tǒng)的用戶設備部分，包括 GPS接收機硬件、數(shù)據(jù)處理軟件和微處理機及其終端設備等。 在精密定位測量工作中，一般均采用大地型雙頻接收機或單頻接收機。單頻接收機適用于 10KM左右或更短距離的精密定位工作，其相對定位的精度能達 5mm十 1ppm178。 D(D為基線長度，以 KM計 )。 而雙頻接收機由于能同時接收到衛(wèi)星發(fā)射的兩種頻率 (L1=1575． 42MHz和 L2＝ 1227． 60MHz)的載波信號，故可進行長距離的精密定位工作，其相對定位的精度可優(yōu)于 5mm十 1ppm178。 D，但其結構復雜，價格昂貴。用于精密定位測量工作的 GPS接收機，其觀測數(shù)據(jù)必需進行后期處理，因此必須配有功能完善的后處理軟件，才能求得所需測站點的三維坐標。 2． 3 GPS 系統(tǒng)的特點 （ 1） 全球，全天候工作： 能為用戶提供連續(xù)實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。 （ 2） 定位精度高： 單機定位精度優(yōu)于 10米， 采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。 （ 3） 功能多，應用廣： 隨著人們對 GPS 認識的加深， GPS 不僅在 測量，導航，測速，測時等方面得到更廣泛的應用，而且其應用領域不斷擴大 。 2． 4 GPS坐標系統(tǒng) 目前， GPS測量中所使用的協(xié)議地球坐標系統(tǒng)稱為 WGS— 84世界大地坐標系(World Geodetic System)在實際測量定位工作中，雖然 GPS衛(wèi)星的信號依據(jù)于 WGS— 84坐標系，但求解結果則是測站之間的基線向量或三維坐標差。在數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)上述結果 ,并以現(xiàn)有已知點 (三點以上 )的坐標值作為約束條件 ，進行整體平差計算，得到各 GPS測站點在當?shù)噩F(xiàn)有坐標系中的實用坐標，從而完成 GPS測量結果向 C80或當?shù)鬲毩⒆鴺讼档霓D換。 GPS 定位原理 根據(jù) 測距的原理，其定位原理與方法可分為：偽距法測量、載波相位測量和差分 GPS 定位。 偽距法定位 偽距法定位是由 GPS 接收機在某一時刻測出 的到四顆以上 GPS 衛(wèi)星的偽距及已知衛(wèi)星的位置，采用距離交會的方法求定接受機天線所在點的三維坐標。所謂“偽距”，是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼達到接收機的傳播時間乘以光速得到的距離。由于衛(wèi)星鐘、接收機誤差及信號經(jīng)過電離層和 對流層時產生時間延遲，實測距離 39。? 與它們間幾何距離存在差值，故稱量測出距離為偽距 。分為 A 碼偽距 和 P 碼偽距。偽距定位的優(yōu)點是數(shù)據(jù)處理簡單，對定位條件的要求低，不存在整周模糊度的問題，可以非常容易地實現(xiàn)實時定位；其缺點是觀測值精度低， C/A 碼偽距觀測值的精度一般為 3 米，而 P 碼偽距觀測值的精度一般也在 30 厘米左右，從而導致定位成果精度低，另外，若采用精度較高的 P 碼偽距觀測值，還存在 AS 的問題 。 載波相位測量 載波相位測量是以 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的載波為測距信號，測量 用戶接收機收到的載波信號與接收機產生的參考載波信號之間的相位差。 由于載波的波長遠小于測距碼的波長， 1L 的波長為 19cm， 2L 的波長為 24cm，所以在量測精度為 1%的情況下，載波相位的觀測精度遠比碼相位觀測精度高，其精度可達 12cm，是目前最精密的觀測方法。 但是，由于載波信號是一種周期性的正弦信號，而相位測量 有 無法直接測定衛(wèi)星載波信號在傳播路線上相位變化的整周數(shù)，因而存在著整周不確定性問題。此外，在接收機跟蹤 GPS 衛(wèi)星 進行觀測的過程中，常會由于諸如接收機天線被阻擋、外界噪聲信號的干擾等愿因，造成“失鎖”，產生整周跳變現(xiàn)象。這些問題的存在，使得載波相位測量的數(shù)據(jù)處理甚為復雜。 目前，解算整周未知數(shù)的方法很多。如果按解算所需時間的長短來區(qū)分，則可分為經(jīng)典靜態(tài)相對定位法和快速解算法。經(jīng)典靜態(tài)相對定位法是將整周未知數(shù)作為待定量，與其它未知參數(shù)在平差計算中一并求解。為了提高解的可靠性，所需觀測時間較長，如 12h。整周未知數(shù)的快速解算法有交換天線法、 P 碼雙頻技術、濾波法、搜索法、和模糊畫數(shù)法等多種?？焖俳馑惴ㄋ栌^測時間較短，一般 只要幾分鐘。 另外，由于在 GPS信號中已用相位調制的方法在載波上調制了測距碼和數(shù)據(jù)碼，因而接收到的相位已不再連續(xù)。故在進行載波相位測量之前，首先要進行解調，設法將調制在載波上測距碼和數(shù)據(jù)碼去掉，重新獲取載波?；謴洼d波的方法可以采用碼相關法和平方解調技術。 難點 ： 整周未知數(shù)的確定是載波相位測量中特有的問題，也是進一步提高GPS定位精度、提高作業(yè)速度的關鍵所在。目前，確定整周未知數(shù)的方法主要有三種：偽距法、 No作為未知數(shù)參與平差法和三差法。偽距法就是在進行載波相位測量的同時，再進行偽距測量；由兩種方法的觀測 方程可知，將未經(jīng)過大氣改正和鐘差改正的偽距觀測值減去載波相位實際觀測值與波長的乘積，便可得到值，從而求出整周未知數(shù) No， No作為未知數(shù)參與平差，就是將 No作為未知參數(shù)，在測后數(shù)據(jù)處理和平差時與測站坐標一并求解；根據(jù)對 No的處理方式不同，可分為“整數(shù)解’和“實數(shù)解”。三差法就是從觀測方程中消去 No的方法，又稱多普勒法，因為對于同一顆衛(wèi)星來說，每個連續(xù)跟蹤的觀測中，均含有相同的，因而將不同觀測歷元的觀測方程相減，即可消去整周末知數(shù) No，從而直接解算出坐標參數(shù)。關于確定 No的具體算法以及對整周跳變 (由于種種原因引 起的整周觀測值的意外丟失現(xiàn)象 )的探測和修復的具體方法，這里不再詳述，請參閱有關書籍。 相對定位是目前 GPS測量中精度最高的一種定位方法，它廣泛用于高精度測量工作中。在介紹絕對定位方法時已敘及， GPS測量結果中不可避免地存在著種種誤差；但這些誤差對觀測量的影響具有一定的相關性，所以利用這些觀測量的不同線性組合進行相對定位，便可能有效地消除或減弱上述誤差的影響，提高 GPS定位的精度，同時消除了相關的多余參數(shù)，也大大方便了 GPS的整體平差工作。實踐表明，以載波相位測量為基礎，在中等長度的基 線上對衛(wèi)星連續(xù)觀測 1—— 3小時，其靜態(tài)相對定位的精度可達 106— 107。 靜態(tài)相對定位的最基本情況是用兩臺 GPS接收機分別安置在基線的兩端，固定不動；同步觀測相同的 GPS衛(wèi)星，以確定基線端點在 WGS— 84坐標系中的相對位置或基線向量，由于在測量過程中，通過重復觀測取得了充分的多余觀測數(shù)據(jù)，從而改善了 GPS定位的精度。 考慮到 GPS定位時的誤差來源，當前普遍采用的觀測量線性組合方法稱之為差分法，其具體形式有三種，即所謂的單差法、雙差法和三差法，現(xiàn)分述如下。 (1)單差法 所謂單差，即不同觀測站同步 觀測相同衛(wèi)星 p所得到的觀測量之差，也就是在兩臺接收機之間求一次差；它是 GPS相對定位中觀測量組合的最基本形式。單差法并不能提高 GPS絕對定位的精度，但由于基線長度與衛(wèi)星高度相比，是一個微小量，因而兩測站的大氣折光影響和衛(wèi)星星歷誤差的影響，具有良好的相關性。因此，當求一次差時，必然削弱了這些誤差的影響；同時消除了衛(wèi)星鐘的誤差 (因兩臺接收機在同 — 時刻接收同一顆衛(wèi)星的信號，則衛(wèi)星鐘差改正數(shù)相等 )。由此可見，單差法只能有效地提高相對定位的精度，其求算結果應為兩測站點間的坐標差，或稱基線向量。 (2)雙差法 雙差 就是在不同測站上同步觀測一組衛(wèi)星所得到的單差之差，即在接收機和衛(wèi)星間求二次差。 在單差模型中仍包含有接收機時鐘誤差，其鐘差改正數(shù)仍是一個未知量。但是由于進行連續(xù)的相關觀測，求二次差后，便可有效地消除兩測站接收機的相對鐘差改正數(shù)，這是雙差模型的主要優(yōu)點；同時也大大地減小了其它誤差的影響。因此在 GPS相對定位中，廣泛采用雙差法進行平差計算和數(shù)據(jù)處理。 (3)三差法 三差法就是于不同歷元同步觀測同一組衛(wèi)星所得觀測量的雙差之差，即在接收機、衛(wèi)星和歷元間求三次差 ,引入三差法的目的，就在于解決前兩種方法中存在的整周未知數(shù)和整周跳變待定的問題 (前已敘及 )，這是三差法的主要優(yōu)點。但由于三差模型中未知參數(shù)的數(shù)目較少，則獨立的觀測量方程的數(shù)目也明顯減少，這對未知數(shù)的解算將會產生不良的影響，使精度降低。正是由于這個原因，通常將消除了整周未知數(shù)的三差法結果，僅用作前兩種方法的初次解 (近似值 )，而在實際工作中采用雙差法結果更加適宜。 GPS定位原理（ DGPS定位原理） 根據(jù)差分 GPS 基準站發(fā)送的信息方式可將差分 GPS 定位分為三類，即：位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由基準站發(fā) 送改正數(shù)，由用戶站接收并對其測量結果進行改正，以獲得精確的定位結果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內容不一樣，其差分定位精度也不同。 其都是要消除公共誤差，來達到精密定位的目的 ,我們來看偽距差分和載波相位差分原理： 位置差分原理 這是一種最簡單的差分方法，任何一種 GPS 接收機均可改裝和組成這種差分系統(tǒng)。安裝在基準站上的 GPS 接收機觀測 4顆衛(wèi)星后便可進行三維定位，解算出基準站的坐標。由于存在著軌道誤差、時鐘誤差、 SA 影響、大氣影響、多徑效應以及其 它 誤差，解算出的坐標與基準站的已知坐標是不一樣的， 存在誤 差?；鶞收纠脭?shù)據(jù)鏈將此改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標進行改正。 最后得到的改正后的用戶坐標已消去了基準站和用戶站的共同誤差，例如衛(wèi)星軌道誤差、 SA影響、大氣影響等，提高了定位精度。以上先決條件是基準站和用戶站觀測同一組衛(wèi)星的情況。位置差分法適用于用戶與基準站間距離在100km 以內的情況。 偽距差分原理 偽距差分是目前用途最廣的一種技術。幾乎所有的商用差分 GPS 接收機均采用這種技術。國際海事 無線電委員會推薦的 RTCM SC104 也采用了這種技術。 偽距 差分能將兩站公共誤差抵消，但隨著用戶到基準站距離的增加又出現(xiàn)了系統(tǒng)誤差，這種誤差用任何差分法都是不能消除的。用戶和基準站之間的距離對精度有決定性影響。 載波相位差分原理 測地型接收機利用 GPS 衛(wèi)星載波相位進行的靜態(tài)基線測量獲得了很高的精度（ 106～ 108）。但為了可靠地求解出 整周 模糊度，要求靜止觀測一兩個小時或更長時間 ， 這樣就限制了在工程作業(yè)中的應用。于是探求快速測量的方法應運而生。例如，采用整周模糊度快速逼近技術（ FARA）使基線觀測時間縮短到 5 分鐘，采用準動態(tài)（ stop and go），往 返重復設站（ reoccupation）和動態(tài)（ kinematic）來提高 GPS 作業(yè)效率。這些技術的應用對推動精密 GPS 測量起了促進作用。但是，上述這些作業(yè)方式都是事后進行數(shù)據(jù)處理 ， 不能實時提交成果和實時評定成果質量，很難避免出現(xiàn)事后檢查不合格造成的返工現(xiàn)象。 差分 GPS 的出現(xiàn)，能實時給定載體的位置，精度為米級，滿足了引航、水下測量等工程的要求。位置差分、偽距差分、偽距差分相位平滑等技術已成功地用于各種作業(yè)中。隨之而來的是更加精密的測量技術 — 載波相位差分技術。 載波相位差分技術又稱為 RTK技術（ real time kinematic），是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。 與偽距差分原理相同，由基準站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及站坐標信息一同傳送給用戶站。用戶站接收 GPS 衛(wèi)星的載波相位 與來自基準站的載波相位，并組成相位差分觀測值進行實時處理，能實時給出厘米級的定位結果。 實現(xiàn)載波相位差分 GPS 的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標 。后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶臺進行求差解算坐標 。 前者為準 RTK 技術，后者為真正的 RTK 技術。 無論采取何種定位方式， 在定位過程中 都存在著三部分誤差。一部分是每一個用戶接收機所公有的，例如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機所固有的誤差，例如內部噪聲、通道延遲、多徑效應等。利用差分技術，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差消除，其主要取決于基準接收機和用戶接收機的距離， 而 第三部分誤差 是 無法消除 。 如右上圖所示 ，實時載波相位差分系統(tǒng)（ RTK） 技術的工作原理圖。如誤差中的第二部分，短距離我們可以精度可以作到，長距離我們就要采用其