【文章內(nèi)容簡介】 PS 整個系統(tǒng)已經(jīng)正式建成并投入使用。GPS 系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成:GPS 衛(wèi)星星座(空間部分)，地面監(jiān)控系統(tǒng)(控制部分)和 GPS 信號接收機(jī)(用戶部分)。GPS 空間衛(wèi)星星座由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆隨時可以啟用的備用衛(wèi)星組成。24 顆衛(wèi)星均勻分布在 6 個軌道面內(nèi)，每個軌道面均勻分布有 4 顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道平面相對地球赤道面的傾角均為 550，各軌道平面升交點的赤道相差 600，在相鄰軌道上，衛(wèi)星的升交距角相差 300。軌道平均高度約為 20200 公里，衛(wèi)星運行周期為 11 小時 58 分。GPS 工作衛(wèi)星的空間分布保障了在地球上任何時刻、任何地點均至少可以同時觀測到 4 顆衛(wèi)星。地面觀測者見到地平面上衛(wèi)星顆數(shù)隨時間和地點不同而異，最少 4 顆，最多 11 顆。GPS 衛(wèi)星的主要作用是:向用戶連續(xù)發(fā)送定位信息。接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的衛(wèi)星導(dǎo)航電文等信息，并適時發(fā)送給用戶。接收并執(zhí)行由地面監(jiān)控站發(fā)來的控制指令，適時地改正運行偏差和啟用備用衛(wèi)星等。通過星載的高精度銣鐘和銫鐘，提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)。 地面監(jiān)控部分包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。其主要任務(wù)是11監(jiān)視衛(wèi)星運行。確定 GPS 時間系統(tǒng)。跟蹤并預(yù)報衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘狀態(tài)，向每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)存儲器注入衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，確保 GPS 系統(tǒng)的良好運行。 GPS 信號接收機(jī)主要功能是迅速捕獲按一定衛(wèi)星截止高度角所選擇的待測衛(wèi)星信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測定出 GPS 信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時計算出測站的三維坐標(biāo)、三維速度及時間信息等。 在 GPS 定位過程中，按照參考點位置的不同，可以分為絕對定位和相對定位。絕對定位是指在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測站相對地球質(zhì)心的位置，這時可以認(rèn)為參考點與地球質(zhì)心相重合。而相對定位指的是在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測站與某一地面參考點之間的相對位置。 按定位時接收機(jī)所處的狀態(tài)，可將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩類。所謂靜態(tài)定位，指的是將接收機(jī)靜止于測站上數(shù)分鐘至 1 小時或更長時間觀測，以確定一個點在 WGS84 坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)(絕對定位)，或兩個點之間的相對位置(相對定位)。而動態(tài)定位至少有一臺接收機(jī)處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測歷元相應(yīng)的運動中的點位(絕對定位或相對定位)。 利用接收到的測距碼或載波相位均可進(jìn)行靜態(tài)定位。但由于載波的波長遠(yuǎn)小于測距碼的波長，若接收機(jī)對碼相位及載波相位的觀測值精度均取至 周(每2 弧度為一周)，則 C/A 碼及載波 L1 所相應(yīng)的距離誤差分別為 和 .?因此，利用碼相位的偽距測量只能用于單點絕對定位。而載波相位觀測量則是目前 GPS 測量中精度最高的觀測量，而且它的獲得不受(P 碼或 Y 碼)保密的限制。利用載波相位進(jìn)行單點定位可以達(dá)到比測距碼偽距定位更高的精度。載波相位12測量的最主要應(yīng)用是進(jìn)行相對定位。將兩臺 GPS 接收機(jī)分別安置在兩個不同點上，同時觀測衛(wèi)星載波信號，利用載波相位的差分觀測值，可以消除或減弱多種誤差的影響，獲得兩點間高精度的 GPS 基線向量。 GPS 定位的基本測量 利用 GPS 定位，無論采用何種方法，都是通過觀測 GPS 衛(wèi)星而獲得的某種觀測量來實現(xiàn)的。我們知道，GPS 衛(wèi)星信號含有多種定位信息，根據(jù)不同要求，可以從中獲取不同的觀測量，其主要包括: 碼相位偽距觀測值 碼相位偽距測量是 GPS 接收機(jī)通過測量衛(wèi)星發(fā)射信號與接收機(jī)接收到此信號之間的時間差△t，來求得衛(wèi)星接收機(jī)間得距離 P: P=△t *c式中:c 為光速。 由于衛(wèi)星鐘的誤差、接收機(jī)的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲等，實際測出的距離 P 與衛(wèi)星到接收機(jī)真實距離 R 有誤差。因此，一般稱P為偽距。載波相位觀測值 在碼相關(guān)型接收機(jī)中，當(dāng) GPS 接收機(jī)鎖定衛(wèi)星載波相位，就可以得到從衛(wèi)星傳到接收機(jī)經(jīng)過延時的載波信號。如果將載波信號與接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號比相就可得到載波相位觀測值。若接收機(jī)內(nèi)振蕩器頻率初相位完全相同，衛(wèi)星在時刻發(fā)射信號，經(jīng)過△t 后于 t，時刻被接收機(jī)接收，接受機(jī)通道鎖定衛(wèi)星信0t號，△t 對應(yīng)的相位差 ，又設(shè)衛(wèi)星載波信號于歷元 ，時刻的相位為 (j??itj?)，接收機(jī)基準(zhǔn)信號在 ，時刻的相位為 ( )，則有:it it??it = ( ) ( )j?ijit13 通過鑒相器，衛(wèi)星到接收機(jī)間的相位差可分為 個整周相位和不到一個整ON周相位之和，即: = ( ) ( )= j??itjit)(2*iot???衛(wèi)星到接收機(jī)距離為: 式中: 為波長。][ijIi???? 鑒相器只能測出不足一個整周相位值， 測不出來。因此，在載波相位測ON量中出現(xiàn)了一個整周未知數(shù) (也稱為整周模糊度)， 需要通過其他途徑OO求定。另外，如果在跟蹤衛(wèi)星過程中，由于某種原因，如衛(wèi)星信號被障礙物擋住而暫時中斷，受無線電信號干擾造成信號失鎖等，這樣，計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù)，因此，當(dāng)信號重新被跟蹤后，整周計數(shù)就不正確，但不到一個整周的相位觀測值 t,仍然是正確的。這種現(xiàn)象稱為周跳。周跳的出現(xiàn)和處理是載波)(1t??相位測量中的重要問題。 由于載波頻率高、波長短，因此，載波相位測量精度高。不過，利用載波相位觀測值進(jìn)行定位，要解決整周模糊度的解算和周跳修復(fù)問題。 GPS 定位的基本原理絕對定位(測距碼偽距單點定位) 絕對定位，通常指在協(xié)議地球坐標(biāo)系中，直接確定觀測站，相對于坐標(biāo)系原點(地球質(zhì)心)絕對坐標(biāo)的一種定位方法。利用 GPS 進(jìn)行絕對定位的基本原理，是以 GPS 衛(wèi)星和用戶接受機(jī)天線之間的距離(或距離差)觀測量為基礎(chǔ)，并根據(jù)己知的衛(wèi)星瞬時坐標(biāo)，采用空間后方交會的方法來確定用戶接收機(jī)天線所對應(yīng)的點位，即觀測站的位置。 測距碼偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼到觀測站的傳播時間(時間延遲)乘于光速所得出的距離，習(xí)慣上簡稱為偽距。建立偽距觀測值方程，必須顧及衛(wèi)星鐘差，接收機(jī)鐘差以及大氣層折射延遲等。為了表達(dá)方便，本節(jié)所有公式中均以k14表示測站編號，j 表示衛(wèi)星編號，i 表示觀測歷元編號。偽距觀測值 (k,j,i),p可表示為:(k, j, i)=p(k, j, i) + c (215),p ),(),(jkjkptitonitroijik ????式中: 。為接收機(jī)鐘差， 。為衛(wèi)星鐘差 ， 力表示對流層折射影響，ikt?ijt?itr它包括干分量和濕分量，可按測站上實測得氣象元參數(shù)及至衛(wèi)星的高度角，采用對流層改正模型進(jìn)行計算改正， 表示電離層折射影響，也采用改正),(jkpitro模型進(jìn)行改正，這些下一節(jié)中將詳細(xì)講述。p(k，j，i)為正確的衛(wèi)地距，其計算公式為: （21222 )()()_(),( kjkjxj zyijkpk ????6）衛(wèi)星坐標(biāo)( )是已知的。顧及式((216)，在式(215)中只有 4 個未知kzyx,數(shù):測站三個坐標(biāo)未知數(shù)（ ） ，另一個未知數(shù)是接收機(jī)鐘差風(fēng)。因此在jjzyx,同一觀測歷元，只須同時觀測 4 顆衛(wèi)星，即可獲得 4 個觀測方程式，求解出這 4個未知數(shù)。若同時觀測的衛(wèi)星多于 4 個，則存在多余觀測，此時，須將式(215)線性化，再按最小二乘法進(jìn)行平差計算。若一開始所給出的測站在 WGS84 坐標(biāo)系中的近似值( )偏差過大，則因線性化后的觀測方程式僅取了一次項，okkzyx,為避免略去的高次項對解算結(jié)果的影響，可利用解算出的測站坐標(biāo)重新作為近似值，迭代求解，以此求出我們需要的點位坐標(biāo)。 應(yīng)用 GPS 進(jìn)行絕對定位，根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同，又可分為動態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位。當(dāng)用戶接受設(shè)備安置在運動的載體上，并處于動態(tài)的情況下，確定載體的瞬時絕對位置的定位方法，稱為動態(tài)絕對定位。動態(tài)絕15對定位，一般只能得到?jīng)]有(或很少)多余觀測量的實時解。這種定位方法，被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)船舶以及陸地車輛等運動載體的導(dǎo)航。當(dāng)接收機(jī)天線處于靜止?fàn)顟B(tài)時，用以確定觀測站絕對坐標(biāo)的方法，成為靜態(tài)絕對定位。這時，由于可以連續(xù)的觀測衛(wèi)星至觀測站的偽距，所以可獲得充分的多余觀測量，以便在測后，通過數(shù)據(jù)處理提高定位的精度。靜態(tài)絕對定位方法，主要用于大地測量，以精確測定觀測站在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的絕對坐標(biāo)。相對定位(差分載波相位測量) 相對定位的最基本情況，是用兩臺 GPS 接收機(jī)，分別安置在基線的兩端，并同步觀測相同的衛(wèi)星，以確定基線端點，在協(xié)議地球坐標(biāo)系中的相對位置或基線向量。當(dāng)多臺接收機(jī)安置在若干條基線的端點，通過同步觀測 GPS 衛(wèi)星，可以確定多條基線向量。 瞬間載波相位差指的是，在某一指定時刻(歷元)由接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號的相位與此時接收到的衛(wèi)星載波信號的相位之差。載波相位差的觀測方程為: ),(),(*),( *)(*1(*11 ijkNijfjk ftpcftftpcfttiionitrop ikijkijijj???? ???????? ????(217) 式中: 是分別在接收機(jī)鐘及衛(wèi)星鐘所定義的時間尺度中所度量)(,1tjk?的初始?xì)v元(鐘面時為 )相位值。 為載波頻率。 對分別表示衛(wèi)地f )(,ijkijktp距、衛(wèi)地距變率， ， 分別為接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差。 表示初始?xì)vikt?ij ,jN元的整周待定值。 為對流層折射改正項。 為電離層),(*fitrop?? )(*kfion??折射改正項。16 載波相位測量，由任一測站 k 在任一觀測歷元 i 對任一衛(wèi)星 J 均可由接收機(jī)取得觀測值叫 ，式(217)為其數(shù)學(xué)模型。式子的右端包括大量未知),(ijk?數(shù)。如衛(wèi)星至測站幾何距離及其變率、衛(wèi)星鐘鐘差、接收機(jī)鐘差等，其中接收機(jī)的絕對鐘差(相對于 GPS 標(biāo)準(zhǔn)時)很難用兩三個鐘差來模擬，式(217)右端的前兩項也難予以參數(shù)化，再則衛(wèi)星軌道、大氣折射殘余誤差等等也都會影響定位。在平差計算中，包括了大量并非我們實際需求的未知參數(shù)。這些參數(shù)用來模擬相位觀測值中的一些系統(tǒng)性誤差影響，因其數(shù)學(xué)模型難以完善，必然存在可觀的模型誤差。另外，實踐證明，在平差過程中引入過多的參數(shù)往往會降低解的精度和可靠度。因此，(非差分)載波相位測量還難于用于單點絕對定位。實際上，我們通過對載波相位測量值進(jìn)行各種線性組合(即差分)，便可獲得高精度的 GPS 相對定位結(jié)果。相對定位，借助于精密星歷和高精度相對定位軟件，很容易獲得很高的相對定位結(jié)果。 根據(jù)用戶接收機(jī)在定位過程中所處的狀態(tài)不同，相對定位也有動態(tài)和靜態(tài)之分。靜態(tài)相對定位一般采用載波相位觀測值為基本觀測量，這一方法是當(dāng)前GPS定位中精度最高的一種方法，廣泛的應(yīng)用于大地測量、工程測量和地殼變形監(jiān)測等精密定位領(lǐng)域。動態(tài)相對定位，是用一臺接收機(jī)安設(shè)在基準(zhǔn)站上固定不動，另一臺接收機(jī)安設(shè)在運動的載體上，兩臺接收機(jī)同步觀測相同的衛(wèi)星，以確定運動點相對于基準(zhǔn)站的實時位置。根據(jù)其采用的觀測量不同，動態(tài)相對定位又可分17為測碼偽距動態(tài)相對定位和測相偽距動態(tài)相對定位。實時動態(tài)相對定位(GPS RTK ) RTK(英文為 Real Time Kinematics)技術(shù)即 GPS 實時動態(tài)相對定位技術(shù)，是目前最先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)，是 GPS 測量技術(shù)發(fā)展的一個重大里程碑。它是GPS 測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)，它能夠在野外實時得到厘米級定位精度，這為工程放樣、地形測圖、變形觀測等各種實時高精度測量作業(yè)帶來了一場變革。它的基本原理是，利用 2 臺以上 GPS 接收機(jī)同時接收 GPS衛(wèi)星信號，其中一臺安置在已知坐標(biāo)點上作為基準(zhǔn)站，另一臺用來測定未知點的坐標(biāo)為流動站?；鶞?zhǔn)站通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(簡稱數(shù)據(jù)鏈)將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要自己采集 GPS 觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及精度，歷時不到一秒鐘。RTK作業(yè)開始前，流動站必須先進(jìn)行初始化，即完成整周未知數(shù)的解算后開始進(jìn)行每個歷元的實時測量，作業(yè)時只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果。初始化可在固定點上靜止進(jìn)行，也可在動態(tài)條件下利用動態(tài)初始化(AROF)技術(shù)進(jìn)行。 GPS RTK 定位系統(tǒng)的構(gòu)成，一套 RTK 定位系統(tǒng)一般包括一套基準(zhǔn)站和一套流動站。一套基準(zhǔn)站包括:一臺基準(zhǔn)站 GPS 接收機(jī)及天線、獨立的基準(zhǔn)站發(fā)射電臺及天線、設(shè)置參數(shù)和顯示使用的電子手簿。一套流動站包括:一套流動作業(yè)的 GPS 接收機(jī)及天線、流動站接收信號的電臺(多數(shù)內(nèi)置于 GPS 接收機(jī)內(nèi))及18天線、電子手簿。目前 RTK 技術(shù)的標(biāo)稱精度一般為:平面士(1Omm+1ppn) 。高程士(20mm+2ppm )，工作半徑在 1 Okm 以上。 GPS 定位的誤差來源 GPS 定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源，可分為三類:與衛(wèi)星有關(guān)的誤差。與衛(wèi)星信號傳播有關(guān)的誤差。與接收設(shè)備有關(guān)的誤差。 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差主要有衛(wèi)星鐘差與衛(wèi)星軌道誤差