【正文】 勒衛(wèi)星軌道高度低、信號(hào)載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大量測(cè)量或工程測(cè)量的要求，更不能用于天文地球動(dòng)力學(xué)研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國(guó)從 1973 年開始籌建全球定位系統(tǒng) GPS創(chuàng) (Global Positioning System)。在進(jìn)行了方案論證、系統(tǒng)試驗(yàn)階段后，于 1989 年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于 1994 年全部建成，投入使用。 GPS系統(tǒng) 的空間部分由 21顆衛(wèi)星組成，均分布在 6個(gè)軌道上，地面高度為 20220余公里，軌道傾角為 55度，扁心率約為 0，周期約為 12小時(shí)，衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個(gè)波段的載波信號(hào)，載波信號(hào)頻率分別為 (L1波段 )和 (L2波段 )，衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性，在載波上調(diào)制有表示衛(wèi)星位置的廣播星歷，用于測(cè)距的 C/A 碼和 P碼，以及其它系統(tǒng)信息，能在全球范圍內(nèi)，向任意多用戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實(shí)時(shí)的三維測(cè)速、三維定位和授時(shí)。 GPS 系統(tǒng)的控制部分有設(shè)在美國(guó)本 上的 5個(gè)監(jiān)控站組成，這些站間不斷地 GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，并將計(jì)算和預(yù)報(bào)的信息由注入站對(duì)衛(wèi)星信息更新。 GPS系統(tǒng)的用戶是非常隱蔽的，它是一種單程系統(tǒng)，用戶只接收而不必發(fā)射信號(hào)，因此用戶的數(shù)量也是不受限制的。雖然 GPS系統(tǒng)一開始是為軍事目的而建立的，但很快在民用方面得到了極大的發(fā)展，各類 GPS 接收機(jī)和處理軟件紛紛涌現(xiàn)出來(lái)。能對(duì)兩個(gè)頻率進(jìn)行觀測(cè)的接收機(jī)稱為雙頻接收機(jī)，只能對(duì)一個(gè)頻率進(jìn)行觀測(cè)的接收機(jī)稱為單頻接收機(jī)，他們?cè)诰群蛢r(jià)格上均有較大區(qū)別。對(duì)于測(cè)繪界的用戶而言， 11 GPS己在測(cè)繪領(lǐng)域引起了革命性的變化，目前，范 圍上數(shù)公里至幾千公里的控制網(wǎng)或變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，精度上從幾百至毫米級(jí)的定位，一般都將 GPS作為首選手段，隨著RTK 技術(shù)的日趨成熟， GPS一開始向分米乃至厘米級(jí)的放樣、高精度動(dòng)態(tài)定位等領(lǐng)域滲透。 國(guó)際 GPS大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)服務(wù) IGS自 1992 年起，己在全球建立了多個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理中心，和百余個(gè)常年觀測(cè)的臺(tái)站，我國(guó)也設(shè)立了上海余山、武漢、西安、拉薩、臺(tái)灣等多個(gè)常年觀測(cè)臺(tái)站，這些臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)每天通過(guò) INTERNET網(wǎng)傳向美國(guó)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心， IGS還幾乎實(shí)時(shí)地綜合各數(shù)據(jù)處理中心的結(jié)果，并參與國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù) IERS的全球坐標(biāo)參考系維護(hù)及地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的發(fā)布。使用者也可免費(fèi)從 INTERNET網(wǎng)上取得觀測(cè)數(shù)據(jù)及梗米數(shù)據(jù)等產(chǎn)品。 GPS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位精度很高，美國(guó)在 1992年起實(shí)行了所謂的 SA政策，即降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低衛(wèi)星鐘改正數(shù)的精度，對(duì)衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率加上高頻的抖動(dòng) (使偽距和相位的量測(cè)精度降低 )，后又實(shí)行了 AS政策，即將 P碼改變?yōu)閅碼，即對(duì)精密偽距測(cè)量進(jìn)一步限制，而美國(guó)軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國(guó)為了獲得更大的商業(yè)利益，這些政策終將被取消。 GPS定位原理 GPS 接收機(jī)可接收到可用 于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息 ， 用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷 :用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米 (各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化 )。以及 GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。 GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱為偽距。對(duì) OA碼測(cè)得的偽距稱為 UA碼偽距，精度約為20米左右，對(duì) P碼測(cè)得的偽距稱為 P碼偽距，精度約為 2 米左右。 GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格 再言，載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收基本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)值得精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用 12 相位觀測(cè)值。 按定位方式， GPS定位分為 單點(diǎn)定位和相對(duì)定位 (差分定位 )。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位 (差分定位 )是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。在 GPS觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路經(jīng)效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行 相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度降大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí) (大氣有明顯差別 )， 應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。 在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位，如用于車船等粗略導(dǎo)航定位的精度為 30100 米的偽距單點(diǎn)定位，或用于城市車輛導(dǎo)航定位的米級(jí)精度的偽距差分定位，或用于測(cè)量放樣等的厘米級(jí)的相位差分定位 (RTK)，實(shí)時(shí)差分定位需要數(shù)據(jù)連降兩個(gè)或多個(gè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)揭黄鹩?jì)算。 在定位觀測(cè)時(shí)，若接收機(jī)相 對(duì)于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位，在進(jìn)行控制網(wǎng)觀測(cè)時(shí)，一般均采用這種方式由幾臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)，它能最大限度地發(fā)揮 GPS的定位精度，專用于這種目的的接收機(jī)被稱為大地型接收機(jī)，是接收機(jī)中性能最好的一類。目前， GPS己經(jīng)能夠達(dá)到地殼形變觀測(cè)的精度要求， IGS常年觀測(cè)臺(tái)站己經(jīng)能構(gòu)成毫米級(jí)的全球坐標(biāo)框架。 RTK 技術(shù) 常規(guī)的 GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而 RTK 是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分 (Realtime Kinematic)方法，是 GPS 應(yīng)用的最大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。 高精度的 GPS測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值， RTK 定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在 RTK 作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還 13 要采集 GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位 結(jié)果，歷時(shí)不到一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài) ?？稍诠潭c(diǎn)上進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理， 只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。 RTK 技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)， RTK 定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù) (偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值及己知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)，數(shù)據(jù)量比較大，一般都要求 9600 的波特率，這在無(wú)線 電上不難實(shí)現(xiàn)。 RTK 技術(shù)的應(yīng)用 (1)各種控制測(cè)量 傳統(tǒng)的大地測(cè)量、工程控制測(cè)量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)來(lái)施測(cè)，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，要求點(diǎn)與點(diǎn)之間通視，而且精度分布不均勻，且在外業(yè)不知精度如何，采用常規(guī)的GPS靜態(tài)測(cè)量、快速靜態(tài)、偽靜態(tài)方法，在外業(yè)測(cè)設(shè)過(guò)程中，不能實(shí)時(shí)知道定位精度，如果測(cè)設(shè)完成后，回到內(nèi)業(yè)處理，發(fā)現(xiàn)精度不合要求，還必須返測(cè)，而采用 RTK 來(lái)進(jìn)行控制測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)知道定位精度，如果點(diǎn)位精度要求滿足了，用戶就可以停止觀測(cè)了，而且知道觀測(cè)質(zhì)量如何，這樣可以大大提高作業(yè)效率。如果把 RTK用于公路控制測(cè)量 、電子線路控制測(cè)量、水利工程控制測(cè)量、大地測(cè)量、則不僅可以大大減少人力強(qiáng)度、節(jié)省費(fèi)用，而且大大提高工作效率，測(cè)一個(gè)控制點(diǎn)在幾分鐘甚至于幾秒鐘內(nèi)就可完成。 (2)地形測(cè)量 過(guò)去測(cè)地形圖時(shí)，一般首先要在測(cè)區(qū)建立圖根控制點(diǎn)，然后在圖根控制點(diǎn)上架上全站儀或經(jīng)緯儀，配合小平板測(cè)圖，現(xiàn)在發(fā)展到外業(yè)用全站儀和電子手薄配合地物編碼，利用大比例尺測(cè)圖軟件來(lái)進(jìn)行測(cè)圖，甚至于發(fā)展到最近的外業(yè)電子平板測(cè)圖等，都要求在測(cè)站長(zhǎng)測(cè)四周的地形、地貌等碎部點(diǎn)，這些碎部點(diǎn)都與測(cè)站通視，而且一般要求至少 23人操作，需要在拼圖時(shí)一旦精度不合要求 還得到外業(yè)去返測(cè)，現(xiàn)在采用 RTK 時(shí)，僅需一人背著儀器在要測(cè)的地形地貌點(diǎn)呆上一二秒鐘，并同時(shí)輸入特征編碼，同過(guò)手薄可以實(shí)時(shí)知道點(diǎn)位精度，把一個(gè)區(qū)域測(cè)完后回到室內(nèi)，由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖，這樣用 RTK僅需一人操作，不要求點(diǎn)與 14 點(diǎn)間通視，大大提高了工作效率，采用 RTK 配合電子手薄可以測(cè)設(shè)各種地形圖，如普通地測(cè)圖、鐵路線路帶狀地形圖的測(cè)設(shè)，公路管線地形圖的測(cè)設(shè)，配合測(cè)深儀可以用于測(cè)水庫(kù)地形圖，航海海洋測(cè)圖等等。 (3)放樣 放樣是測(cè)量的一個(gè)應(yīng)用分支，它要求通過(guò)一定方法，采用一定儀器把人為設(shè)計(jì)好的 地位在實(shí)地給標(biāo)定出來(lái)，過(guò)去采用常規(guī)的測(cè)量放樣方法很多，如：經(jīng)緯儀交會(huì)放樣，全站儀的邊角放樣等等，一般要放樣出一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)位時(shí)，往往需要來(lái)回移動(dòng)目標(biāo)，而且要 23人操作，同時(shí)在放樣過(guò)程中還要求點(diǎn)與點(diǎn)間通視情況良好，在生產(chǎn)應(yīng)用上效率不是很高，有時(shí)放樣中遇到困難的情況很復(fù)雜，要借助于很多方法才能放樣，如果采用 RTK技術(shù)放樣時(shí)，僅需把設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到電子手薄中，背著 GPS 接收機(jī)，它會(huì)提醒你走到要放樣點(diǎn)的位置，即迅速又方便，由于 GPS是通過(guò)坐標(biāo)來(lái)直接放樣的，而且精度很高也很均勻，因而在外業(yè)放樣中效率會(huì)大大提高，且只需一人操作。 GPS的應(yīng)用 GPS 最初就是為軍方提供精確定位而建立的，至今它仍然由美國(guó)軍方控制。軍用 GPS產(chǎn)品主要用來(lái)確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)，給海中的軍艦導(dǎo)航，為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。 (1) GPS系統(tǒng)用途廣泛 目前， GPS系統(tǒng)的應(yīng)用己經(jīng)十分廣泛，我們可以應(yīng)用 GPS信號(hào)進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈的制導(dǎo)，大地測(cè)量和工程測(cè)量的精密定位，時(shí)間的傳遞和速度的測(cè)量等。對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域， GPS衛(wèi)星定位技術(shù)己經(jīng)用于建立高精度的全國(guó)性的大地測(cè)量控制網(wǎng)，測(cè)定全球性的地球動(dòng)態(tài)參數(shù) 。用于建立 陸地海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)，進(jìn)行高精度的海島陸地聯(lián)測(cè)以及海洋測(cè)繪 。用于監(jiān)測(cè)地球板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變 :用于工程測(cè)量，成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段。用于測(cè)定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)僅有少量地面控制或無(wú)地面控制的航測(cè)快速成圖，導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)革命。許多商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)也使用 GPS 設(shè)備來(lái)跟蹤他們的車輛位置，這一般需要借助無(wú)線通信技術(shù)。一些 GPS接收器集成了收音機(jī)、無(wú)線電話和移動(dòng)數(shù)據(jù)終端來(lái)適應(yīng)車隊(duì)管理的需要。 15 (2)多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 目前， GPS， GLONASS， INMARSAT等系統(tǒng)都具備了導(dǎo)航定位功能，形成了多元化的空間資源環(huán)境。這一多元化的空間資源環(huán)境，促使國(guó)際民間形成了一個(gè)共同的策略，即一方面對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)從分利用，一方面積極籌建民間 GNSS系統(tǒng)，待到 2022年前后， GNSS純民間系統(tǒng)建成，全球?qū)⑿纬?GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之勢(shì)，才能從根本上擺脫對(duì)單一系統(tǒng)的依賴，形成國(guó)際共有、國(guó)際共享的安全資源環(huán)境。世界才可進(jìn)入將衛(wèi)星導(dǎo)航作為單一導(dǎo)航手段的最高應(yīng)用境界。國(guó)際民間的這一策略，反過(guò)來(lái)有影響和迫使美國(guó)對(duì)其 GPS 使用政策做出更開放的調(diào)整?？傊捎诙嘣臻g資源環(huán) 境的確立，給 GPS的發(fā)展應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)前所未有的良好的國(guó)際環(huán)境。 (3)發(fā)展 GPS產(chǎn)業(yè) 今后 GPS 將像目前汽車、無(wú)線電通信等一樣形成產(chǎn)業(yè)多元化。美國(guó)己經(jīng)廣域增強(qiáng)系統(tǒng) WAAS (即將廣域差分系統(tǒng)中的發(fā)送修正數(shù)據(jù)鏈轉(zhuǎn)為地球同步衛(wèi)星發(fā)送，使地球同步衛(wèi)星也具有 C/A碼功能，形成廣域 GPS增強(qiáng)系統(tǒng) )計(jì)劃發(fā)展成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)目前也有一些單位生產(chǎn)車載 GPS 系統(tǒng)。為發(fā)展我國(guó)的 GPS產(chǎn)業(yè)，武漢已經(jīng)成立中國(guó)GPS工程中心。