【文章內容簡介】 并跟蹤這些衛(wèi)星的運行 ， 對所接收到的 GPS 信號進行變換 、 放大和處理 ， 以便測量出 GPS 信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置 ， 甚至三維速度和時間。 靜態(tài)定位中 ， GPS 接收機在捕獲和跟蹤 GPS 衛(wèi)星的過程中固定不變 ， 接收機高精度地測量 GPS 信號的傳播時間，利用 GPS 衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位則是利用 GPS 接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS 信號接收機所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦， 空中的飛機，行走的車輛等）。載體上的 GPS 接收機天線在跟蹤 GPS 衛(wèi)星的過程中相對于地球而運動 ， 接收機用 GPS 信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度） 。 接收機硬件和機內軟件以及 GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包 ， 構成完整的 GPS 用戶設備 。GPS 接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分 。 對于測地型接收機來說 ， 兩個單元一般分成兩個獨立的部件 ， 觀測時將天線單元安置在測站上 ， 接收單元置于測站附近適合的地方 ， 用電纜線將兩者連成一個整機 。 也有將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。 GPS 接收機一般用蓄電池作電源。同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中，機內電池自動充電。關機后 ， 機內電池為 RAM 存儲器供電 ， 以防止丟失數(shù)據(jù)。 近幾年，國內引進了許多種類型的 GPS 測地型接收機。各種類型的 GPS 測地型接 6 收機用于精密相對定位時，其雙頻接收機精度可達 5mm+1ppm?D，單頻接收機在一定距離內精度可達 10 mm +2ppm?D。用于差分 定位其精度可達亞厘米級。 目前 ， 各種類型的 GPS 接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測。 GPS和 GLONASS 兼容的全球導航定位系統(tǒng)接收機已經(jīng)問世。 GPS衛(wèi)星定位基本原理 將無線電信號發(fā)射臺從地面點搬到衛(wèi)星上，組成一顆衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，應用無線電測距交會的原理，便可由三個以上地面已知點（控制臺）交會出衛(wèi)星的位置，反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間又可交會出地面未知點（用戶接收機）的位置。 GPS 衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導航電文，導航電文中含有衛(wèi)星位置的信息 。 用戶用 GPS接收機在某一時刻同時接收三顆以 上的 GPS 衛(wèi)星信號 ， 測量出測站點（接收機天線中心） P至三顆以上 GPS 衛(wèi)星的距離并解算出該時刻 GPS 衛(wèi)星的空間坐標，據(jù)此利用距離交會法解算出測站點 P 的位置。如圖 21，設在時刻 it 在測站 P 用 GPS 接收機同時測得 P點至三顆 GPS 衛(wèi)星 S1， S2， S3 的距離 P1， P2， P3， 通過 GPS 電文解譯出該時刻三顆 GPS 衛(wèi)星的三維坐標分別為 JX ， JY ， JZ ， j = 1， 2， 3。 用距離交會的方法求解 P點的三維坐標（ X， Y， Z）的觀測方程為 ： 2 1 2 1 2 1 212 2 2 2 2 2 222 3 2 3 2 3 23( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )X X Y Y Z ZX X Y Y Z ZX X Y Y Z Z???? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? （ 21） 圖 21 GPS 定位原理 在 GPS 定位中， GPS 是高速運動的衛(wèi)星，其坐標值隨時間在快速變化著。需要實 7 時地由 GPS 衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離 ， 實時地由衛(wèi)星的導航電文解算出衛(wèi)星的坐標值 ， 并進行測站點的定位。依據(jù)測距的原理 ， 其定位原理與方法主要有偽距法定位 ， 載波相位測量定位 以及差分 GPS 定位等 。 對于待定點來說 ， 根據(jù)其運動狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位 。 靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點 ，將 GPS 接收機安置于其上 ， 觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。若以兩臺 GPS 接收機分別置于兩個固定不變的待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點之間的相對位置，又叫相對定位。而動態(tài)定位至少有一臺接收機處于運動狀態(tài)，測定的是各觀測時刻（觀測歷元）運動中的接收機的點位（絕對點位或相對點位）。 利用接收到的衛(wèi)星信號（測距碼）或載波相位，均可進行靜態(tài)定位 。在實際應用中，為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響，常采用載波相位觀測值的各種線性組合（即分差值）作為觀測值，獲得兩點之間高精度的 GPS 基線向量（即坐標差）。 8 第 3 章 GPS 控制網(wǎng)的優(yōu)化設計 GPS網(wǎng) 的 簡介 GPS 設計與施測的依據(jù)主要是測量任務書和 GPS 測量規(guī)范。由于 GPS 測量屬于一門新型的正在發(fā)展的技術方法，因此規(guī)范中某些條款在執(zhí)行過程中可以商榷。但是，GPS 測量規(guī)范仍舊是我們進行 GPS 測量的主要技術標準，應按照 GPS 測量規(guī)范的統(tǒng)一標準，進行 GPS 網(wǎng)的設計和制定外業(yè)工作方案。 （ 1） GPS 網(wǎng)的構網(wǎng)特點 GPS 網(wǎng)的設計需要考慮諸多因素，其核心是如何高質量低成本完成既定的測量任務。 GPS 網(wǎng)的設計包括網(wǎng)形構造、精度、基準等方面的設計 。 此外，對于外業(yè)工作具體實施，還應考慮觀測時段、時間、測站位置的選擇 ， 接收機的類型及數(shù)量 ， 交通后勤等因素。 目前的 GPS 控制測量 ， 基本上都是采用相對定位的測量方法。這就需要兩臺以及兩臺以上的 GPS 接收機在相同時間段內同時連續(xù)跟蹤相同的衛(wèi)星組 ， 即實施所謂同步觀測。同步觀測時各 GPS 點組成的圖形成 為同步圖形。 不同臺數(shù) GPS接收機同步觀測一個時段 ， 便組成以下各種同步圖形結構 ， 如圖 31所示?？傊?，當 T臺接收機同步觀測獲得的同步圖形由 n 條基線構成，其中 n 為 n=T(T1)/2 （ 31） 臺接收機 臺接收機 臺接收機 臺接收機 圖 31 同步 圖形示例 同步圖形構成 GPS 網(wǎng)的 基本 圖形。而在組成同步圖形 的 n 條基線中，只要（ T1）條是獨立基線，其余基線均為非獨立基線 ， 可有獨立基線推算得到。由此，也就在同步圖形中形成了若干坐標閉合差條件，稱為同步圖形閉合差 。 由于同步圖形是在相同的時間觀測相同的衛(wèi)星所獲得的基線解構成的 ， 基線之間是相關的觀測量。 因 此，同步圖形閉合差不能作為衡量精度的指標，但它可以反應野外觀測質量和條件的好壞。 在 GPS 測量中，與同步圖形相對應的 ， 還有非同步圖形或稱為異步圖形，即由不同時段的基線構成的圖形。由異步圖形形成的坐標閉合差條件稱 為異步圖形閉合差。 9 當某條基線被兩個或多個時段觀測時，就形成了重復基線坐標閉合差條件。異步圖形閉合條件和重復基線坐標閉合條件是衡量精度 、 檢驗粗差和系統(tǒng)差的重要指標。 （ 2） GPS 控制網(wǎng)的構網(wǎng)方式 GPS 網(wǎng)是由同步圖形作為基本圖形擴展延伸得到的，當采用不同的連接方式時，網(wǎng)形結構隨之會有不同的形狀。 GPS 網(wǎng)的布設就是如何將各同步圖形合理的銜接成一個有機的整體，使之達到精度高，可靠性強，且作業(yè)量和作業(yè)經(jīng)費少的要求。 GPS 網(wǎng)的布設按網(wǎng)的構成形式分為：星形網(wǎng)、點連式網(wǎng)、邊連式網(wǎng)、網(wǎng)連式網(wǎng)。按其作業(yè)方式可分為：同步作業(yè)方 式網(wǎng)、基準站同步作業(yè)方式網(wǎng)、快速定位作業(yè)方式。 下面我按照布網(wǎng)的形狀，逐一討論各種構網(wǎng)方式的優(yōu)劣。 1）星形網(wǎng) 星形網(wǎng)的圖形如圖 32 所示 。 這種網(wǎng)在作業(yè)中只需要兩臺 GPS 接收機 ， 作業(yè)簡單，是一種快速定位作業(yè)方式，常用在快速靜態(tài)定位和準動態(tài)定位中。但由于各基線之間不構成任何閉合圖形，所以其抗粗差的能力非常差。一般只用在工程測量、邊界測量、地籍測量和碎部測量等一些精度要求較低的測量中。 2）點連式網(wǎng) 圖 32 星形網(wǎng)圖形 所謂點連式網(wǎng)，就是相鄰同步圖形間僅由一個公共點連接成的網(wǎng)，其網(wǎng)形如圖 33所示。 任一個由 m個點組成的網(wǎng)，由 T 臺接收機觀測，則完成該網(wǎng)至少要 n 個同步圖形： ? ? ?????? ???? 11 TTmI N Tn （ 32） 例如，當 m=30 時，采用 5 臺接收機最少同步圖形分別為 1 7。網(wǎng)的必要觀測基線數(shù)為 m1，而網(wǎng)中 n 個同步圖形總共由 n*(T1)條獨立基線。 圖 33 點連式 GPS 網(wǎng) 顯然，以這種方式布網(wǎng)，沒有或僅有少量的異步圖形閉合條件。因此，所構成的圖形抗粗差能力仍不強，特別是粗差定位能力差，網(wǎng)的幾個強度也較若。在這種網(wǎng)的 10 布設中，可以在 n 個同步圖形的基礎上，再加 測幾個時段，增加網(wǎng)的異步圖形閉合條件的個數(shù)，從而提高網(wǎng)的幾何強度，使網(wǎng)的可靠性得到改善。 3）邊連式網(wǎng) 邊連式布網(wǎng)方法是指相鄰同步圖形之間通過 2 個公共點相連，即同步圖形由 1 條公共基線連接。 任一個由 m個點構成的網(wǎng)，若用 T 臺（ T≥ 3）接收機采用邊連式布網(wǎng)方法進 行觀測，則完成該測量任務的最少同步圖形個數(shù) n為 ? ?? ??????? ???? 21 TTmI N Tn （ T≥3） （ 33） 相應觀測獲得的總基線數(shù)為 n*(T1)*T/2 其中獨立基線數(shù)為 n*(T1)，而網(wǎng)的多余觀測基線數(shù)為 n*(T1)（ m1）。邊連式構網(wǎng)圖形如圖 34所示。 圖 34 邊連式網(wǎng) 比較邊連式與點連式布網(wǎng)方法，可以看出，采用邊連式布網(wǎng)方法有較多的非同步圖形閉合條件，以及大量的重復基 線邊，因此，用邊連式布網(wǎng)方式布設的 GPS 網(wǎng)的幾何強度較高，具有良好的自檢能力 ， 能夠有效發(fā)現(xiàn)測量中的粗差 ， 具有較高的可靠性。 4）網(wǎng)連式網(wǎng) 所謂網(wǎng)連式布網(wǎng)方法，是指相鄰 同步圖形之間有兩個以上公共點相連接，相鄰同步圖形之間存在互相重疊的部分，即某一同步圖形的一部分是另一同步圖形中的一部分。 這種布網(wǎng)方式通常需要 4 臺或更多臺的 GPS 接收機，這樣密集的布網(wǎng)方法 ， 其幾何強度和可靠性指標是相當高的，但其觀測工作量以及作業(yè)經(jīng)費均較高，僅適用于網(wǎng)點精度要求較高的測量任務。 GPS控制網(wǎng) 網(wǎng)形 設計的一般原則 由各種 構網(wǎng)方式可以看出，在 GPS 作業(yè)前，應設計出一種比較實用的既能滿足一定精度和可靠性要求、又有較高精度指標的布網(wǎng)作業(yè)計劃，這就是 GPS 網(wǎng)的優(yōu)化設計問題，因而網(wǎng)形設計的一般原則為： 11 （ 1）要充分考慮建立 GPS 控制網(wǎng)的應用范圍。對于工程建設的 GPS 網(wǎng)，應該即考慮勘測設計階段的需要，又要考慮施工放樣等階段的需要。對于城市 GPS 控制，既要考慮近期建設和規(guī)劃的需要 ； 又要考慮遠期發(fā)展的需要 。 還可以根據(jù)具體情況擴展 GPS控制網(wǎng)的功能 。 例如 ， 因為 GPS 測量具有高精度和不要求通視的優(yōu)點，有的城市已經(jīng)考慮將城市 GPS 網(wǎng)建立成為兼有 監(jiān)測三維形變功能的控制 網(wǎng)。這樣既可以為城市建設提供發(fā)現(xiàn)隱患、預防災害的極有價值的信息， 也有利于充分發(fā)揮 GPS 網(wǎng)和測繪工作在城市建設中的應用。 （ 2）采用分級布網(wǎng)方案。適當?shù)胤旨壊荚O GPS 網(wǎng)，有利于根據(jù)測區(qū)的近期需要和遠期發(fā)展分階段布設，而且可以使 全網(wǎng)的結構呈長短邊相結合的形式。與全國均由短邊構成的全面網(wǎng)相比，可以減少網(wǎng)的邊緣處誤差的積累，也便于 GPS 網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理和成果檢核分階段進行。分級布網(wǎng)是建立常規(guī)測量控制網(wǎng)的基本手法，因為 GPS 測量有許多優(yōu)越性，所以并不要求 GPS 網(wǎng)按常規(guī)控制網(wǎng)分很多等級布設。例如，大城 市的 GPS控制網(wǎng)可以分為三級：首級網(wǎng)中相鄰點的平均距離大于 5km；次級網(wǎng)中相鄰點平均距離為 15km；三級網(wǎng)相鄰點平均距離可小于 1km，且可采用 GPS 與全站儀相結合的方法布設。對于小城市，分