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摘要：GPS（Globe Positioning System）全球卫星定位系统是20世纪美国国防部主办的一项规模宏大的太空计划，GPS空间星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，分布在6个等间隔的轨道面上，卫星同时发射两种信号（C/A码和P码）；其具有全球范围、全天候、全时域、连续快速等特点。GPS定位系统对卫星信号进行载波相位测量，达到精密相对定位，随着不断改进、数学处理方法的优化，使GPS测量精度大大提升，在使用精密星历条件下，几百公里以上的基线解算精度可达到1/10000000；利用GPS定位技术进行精密工程测量和大地测量，平差后控制点平面位置精度为1~2mm，高程精度为2~3mm。因此，使用GPS定位，是一种高科技高精度快捷高效的测量手段。
关键词：GPS定位；全球定位系统；载波相位；精密；精度；基线解算；平差
1 GPS定位基本概念
依据测距的原理，其定位方法主要有伪距法定位、载波相位定位测量以及差分GPS定位等。对于待定点来说，根据其运动状态又可分为静态定位和动态定位。所谓静态定位指的是把GPS接收机安置于固定不动的待定点上，进行数分钟及更长时间的观测，以确定出改点的三维坐标，所以又称为绝对定位。若以两台及以上的接收机安置在不同的侧站上，通过一定时间的观测，可以确定出这些待定点上接收机天线之间的相对位置（坐标差），故又称为相对定位。
2 GPS测量的基本原理
由距离交会定点的原理，在二维平面上需要两个边长就能确定另一点，而在三维空间里就需要三条边长确定第三点；GPS的定位原理也是基于距离交会定位原理确定点位的。利用固定于地球表面的三个及以上的地面点（控制站）可交会确定出天空中的卫星位置，反之利用三个及以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（接收机天线中心）的位置。
3 GPS静态定位和动态定位
按定位时GPS接收机所处的状态，可以将GPS定位分为静态定位和动态定位两类。所谓静态定位，指的是将接收机静置于测站上数分钟至1h或更长的时间进行观测，以确定一个点在WGS-84坐标系中的三维坐标（绝对定位），或者两个点之间的相对位置（相对定位）。而动态测量则至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测历元相应的运动中的点位（绝对定位或者相对定位）。
利用接收机的测距码或载波相位均可进行静态定位。但由于载波的波长远小于测距码的波长，若接收机对码相位及载波相位的观测精度均取至0.1周（每2∏弧度为一周），则C/A码及载波L1所相应的距离误差分别约为2.93mm和1.9mm。因此，利用码相位的伪距测量只能用于单点绝对定位。
而载波相位观测量则是目前GPS测量中精度最高的观测量，而且它的获得不受精码（P码或Y码）保密的限制。利用载波相位进行单点定位可以达到比测距码伪距定位更高的精度。载波相位测量的最主要的应用是进行相对定位。将两台GPS接收机分别安置在两个不同的点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位的差分观测值，可以消除或者削弱多种误差的影响，获得两点间高精度的GPS基线向量。
GPS技术不仅可用于静态定位，还可用于动态定位。与静态定位一样，动态定位也可分为绝对定位与相对定位。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆动态定位的特点是，支撑GPS接收机的平台是一运动载体。为确定运动载体在WGS-84坐标系中的瞬时位置，可利用测距码伪距进行单点的绝对定位，只须配置一台导航型的GPS接收机即可实时完成动态绝对定位，在美国实施SA政策以后，绝对定位的精度低于100m，只能用于精度要求不高的导航。
4 GPS测量应用介绍
4.1 GPS控制网的技术设计
GPS控制网的技术设计是进行GPS定位的基础，它依据国家有关规范（规程）、GPS网的用途和用户的要求来进行，其内容包括：项目来源、测区概况、工程概况、技术依据、施测方案、作业要求、观测质量控制、数据处理方案等；主要有精度指标的确定和网形设计。
4.2 GPS网的布设形式
根据用途不同，GPS网的基本构网方式有四种：
点连式，是相邻的同步图形（即多台接收机同步观测卫星所获基线构成的闭合图形，又称同步环）之间仅用一个公共点连接。这种方式构成图形几何强度很弱，一般不单独使用。
边连式，是指相邻同步图形之间由一条公共基线连接。这种布网方案中，复测边数较多，网的几何强度较高，优于点连式。
网连式，是指相邻同步图形之间由两个以上的公共点连接；其几何强度和可靠性更高，所需经费和时间更多，一般仅用于较高精度的控制测量。
边点混合连接，是指将点连式与边连式有机的结合起来组成GPS网。这种方式既能保证网的几何强度，提高网的可靠性，又能减少外业工作量，降低成本，因而是一种较为理想的布网方法。
4.3 GPS网的设计准则
4.3.1 GPS选点：主要便于信号接收和不受干扰且利于保存。
4.3.2提高GPS网可靠性的方法
增加观测期数；
保证一定的重复设站次数；
保证每测站至少与三条以上独立基线相连；
在布网时应使网中最小异步环边数不大于6条。
4.4 选点与建立标志
由于GPS测量测站之间不要求通视，而且网的图形结构比较灵活，故选点工作较常规测量简便。但点位应选在交通方便，易于安置接收设备的地方，且视场要开阔；GPS点应避开对电磁波有干扰的物体，如高压线、电视台、微波站、大面积水域等。点位选定后、按要求埋置标石，并绘制点之记。
4.5 GPS网的外业观测
GPS网的技术设计完成后，准备好GPS接收机和各种必要的设备并进行必要的检查，根据测取的地理地形条件和交通情况安排好每天的工作计划和调度命令，就可进行外业观测。GPS外业观测工作主要包括天线安置、观测作业和观测记录等。
4.6 成果检核和数据处理
观测成果应进行外业检核，这是确保外业观测质量和实现预期定位精度的重要环节。观测任务结束后，必须在测区及时对观测数据的质量进行检核，对于外业预处理成果，要按《规范》要求严格检查、分析，以便及时发现不合格成果，并根据情况采取重测或补测措施。用基线解算软件解出各条基线，外业验算除根据结算基线时软件提供的基线质量指标标准衡量外，主要从同步环、异步环和重复基线闭合差三个GPS外业质量控制指标来掌握。
成果检核无误后，即可进行内业数据处理。内业数据处理过程大体可分为：预处理，平差计算，坐标系统的转换或与已有地面网的联合平差。GPS接收机在观测时，一般15~20s自动记录一组数据，故其信息量大，数据多。同时，数据处理时采用的数字模型和算法形式多样，使数据处理的过程相当复杂。实际应用中，一般是借助电子计算机通过相关软件来完成数据处理工作。
5 GPS测量的误差来源和影响
GPS测量中误差按来源分为三种类型：
（1）与卫星有关的误差：主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响；
（2）信号传播误差：因为GPS卫星是在距地面20000km的高空中运行，GPS信号向地面传播时要经过大气层，因此，信号传播误差主要是信号通过电离层和对流层的影响。
（3）观测误差和接收设备的误差。
通常可采用适当的方法减弱或消除这些误差的影响；如建立误差改正模型对观测值进行改正，或选择良好的观测条件，采用恰当的观测方法等。
在研究误差对GPS测量的影响时，往往将误差化算为卫星至测站的距离，以相应的距离误差表示，称等效距离误差。
参考文献
[1]许其凤. GPS卫星导航与精密定位[M].北京：解放军出版社. 2009.
论文作者:杨辉1,尚宏勋2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：接收机论文; 误差论文; 载波论文; 测量论文; 基线论文; 相位论文; 精度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第29期论文;