全球定位系统(GPS)简介
一，GPS测量的优势
GPS是全球定位系统的缩写。GPS测量是一种利用卫星定位的新型测量技术。与传统测量技术相比，它具有以下优点:
1)用途广泛。GPS信号可用于海空导航、车辆制导、导弹制导、精确定位、工程测量、动态观测等。
2)简单观察。测量时，测量人员只需将GPS接收机的天线单元放置在测量站上，打开电源，启动接收单元；测量结束，只需测量天线高度，关闭电源，即可完成野外数据采集。另外，GPS是全天候测量系统，可以在短时间内用较少的人力物力完成野外工作。
3)精度高。利用载波相位测量进行相对定位，相对定位精度可达到(5 mm+1× 10-6 d)的距离精度(d为比例误差)，观测时间小于1h。如果采用快速定位的方法，观测时间只需要2min左右，就可以达到厘米级的定位精度。
4)经济效益高。GPS测量不要求站间通视，可以节省常规测量的制标成本。而且由于GPS测量精度高，作业时间短，经济效益非常显著。
第二，GPS系统
GPS系统包括以下三个部分。
1.GPS卫星星座(空间部分)
GPS系统包括24颗卫星，均匀分布在6个近似圆形的轨道上，轨道平面之间的夹角为60°。每个轨道有4颗卫星，轨道距地面约20200km。卫星绕地球一周的时间是12h，地球上任何地方任何时间都可以接收到至少4颗卫星的信号。
每颗GPS卫星连续发射两个不同频率的无线电波(L1=1575.42MHz，L2=1227.60MHz)。多种信号调制在载波上，其中最重要的是测距码(P精码，C/A粗码)和导航电文。测距码用于测量从卫星到地面点接收器的距离；导航信息用于计算卫星的轨道参数。
2.地面监控系统(地面控制部分)
GPS卫星上的各种设备是否正常工作，卫星是否沿预定轨道运行，都由地面监控系统进行监控。地面监测系统包括一个主控站、三个注射站和五个监测站，分布在美国本土和世界其他地方的美军基地。
GPS卫星是一个动态的已知点，是根据卫星发送的星历(描述卫星运动和轨道的参数)计算出来的。每个GPS卫星广播的星历表由地面监控系统提供。
此外，地面监测系统还监测每颗卫星的时间，并计算它们的相关修正值，然后通过导航电文发送给用户，以确保所有卫星都处于同一GPS时间系统。
3.gps接收机
GPS接收机的主要功能是解码、分离导航电文并测量相位和伪距。从结构上讲，GPS接收机主要由五个单元组成:天线和前置放大器；信号处理单元，是接收机的核心；控制和显示单元；存储单元；电源单元。
GPS接收机主要用于以下两个方面:
1)静态定位。用户天线在跟踪GPS卫星的过程中是固定的。接收器以高精度测量GPS信号的传播时间，并且连同GPS卫星在轨道中的已知位置，可以计算固定用户天线的三维坐标。后者可以是一个固定点，也可以是几个点组成的GPS网。静态定位的特点是冗余观测大，可靠性强，定位精度高。
2)动态定位。载体(车辆、船舶、飞机等)上的用户天线。)在跟踪GPS卫星的过程中相对于地球运动，接收机利用GPS信号实时测量运动载体的状态参数。动力定位的特点是逐点测量运动载体的状态参数，冗余观测值少，精度较低。
GPS接收机的种类很多，分为一个载频的单频接收机(L1)和两个载频的双频接收机(L1L2)。单频接收机价格便宜，双频接收机可以消除一些大气延迟的影响。对于边长大于10km的精密测量，最好使用双频接收机，对于一般控制测量，单频接收机即可。
三、GPS定位的基本原理
GPS测量中有两个基本观测值:伪距和载波相位。GPS接收机测量卫星信号(测距码)从卫星到接收机的传播时间，然后乘以电磁波的传播速度，得到卫星到接收机的伪距。但由于传播时间中包含了卫星时钟与接收机时钟的同步误差，以及测距码在大气中传播的延迟误差，所以得到的伪距并不等于卫星与台站的几何距离。载波相位测量是将接收到的卫星信号与接收机自身的信号混合，然后进行相位测量。伪距测量的精度约为测距码符号长度的1%，P码约为30cm，C/A码约为3m。载波的波长要短得多(分别为19cm和24cm)，所以载波相位的测量精度一般为1 ~ 2mm。由于相位测量只能测量载波中波长小于一个波长的那部分，所以被测相位可以看作是一个未知整数倍波长的伪距。
在GPS定位中，将卫星视为一个动态的已知控制点，利用测得的距离进行空间后方交会，即可获得接收机的位置。
GPS定位包括单点定位和相对定位。
独立确定待定点在WGS-84世界大地坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位或绝对定位。其优点是只需要一个接收机进行独立定位；室外观测的组织实施相对自由方便，数据处理相对简单。但结果受卫星信号传播过程中卫星星历误差和大气延迟误差影响显著，定位精度较差，一般为几十米。单点定位在船舶和飞机导航、地质矿产勘探、礁石定位、海洋捕捞、国防建设和低精度测量等领域有着广泛的应用前景。
相对定位是确定同步跟踪同一GPS卫星信号的几个接收机之间的相对位置(三维坐标差)的一种定位方法。在相对定位测量中，许多误差对同步观测站有相同或几乎相同的影响。所以在计算的时候，可以将这些误差抵消或者大大减弱，从而获得高精度的相对位置，一般精度在几毫米到几厘米。与单点定位相比，野外观测和数据处理的组织实施更加复杂。相对定位广泛应用于大地测量、工程测量和地壳形变监测等精密定位领域。
四、GPS相对定位的主要误差来源
1)时钟误差。卫星上的钟差和接收机上的钟差是GPS测量中的主要误差。
2)卫星位置误差。GPS卫星的位置是根据卫星发来的星历计算出来的，其平均误差在20 mm左右，设dr为卫星位置误差，其对相对定位的影响可以用下面的公式近似估算，即
建筑工程测量
其中:d-两个接收器之间的距离；
DD-相对位置误差；
s-从接收器到卫星的距离，约为20000公里。
比如dr=20m，对两点相位的影响是1×10-6。
3)大气延迟的影响。卫星信号要经过大气才能到达接收机，所以大气对卫星信号有延迟作用(影响其传播速度)。从地面到50km左右高度的大气称为对流层，对流层的延迟是气温、气压和湿度的函数，可以用测站测得的气象要素进行修正。50km以上的大气称为电离层，其影响通过双频接收机的测量结果进行修正。
4)多径误差。经过某些物体表面反射后到达接收机的信号和直接来自卫星的信号叠加到接收机中，使测量产生误差。其影响与天线周围环境有关。因此，选择合适的站位是减小这种误差的主要措施。
5)观测误差。观察误差与测量中使用的信号波长有关。使用C/A码和P码进行伪距观测，误差分别为3m和0.3m；载波相位测量误差为65438±0 ~ 2mm。
一般来说，GPS相对定位的精度可以表示为
σ2=a2+b2 D2 (6-26)
其中:σ-相对定位误差；
a-固定误差部分；
b-比例误差部分；
D——两站之间的距离。
复习练习
1.经纬仪导线的外业工作包括哪些？
2.选择导线点需要注意哪些问题？
3.导线和附合导线的计算有什么异同？
4.根据表6-11中的已知数据，计算闭合导线各点的坐标值。
表6-11闭合导线坐标