GPS定位原理
GPS全球定位系统的含义是：导航卫星测时和测距/全球定位系统。
1973年美国国防部开始GPS实验计划，由于GPS可向全球用户提供连续、快速定时的、高精度的三维坐标、三维速度和时间信息，所以得到美国政府和三军的高度重视，并列为美国重点空间计划之一，成为继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。整个计划耗资300亿美元以上，目前已基本完成。
GPS定位系统具有高精度和全天候的特点。可保证用户在任何时候和地点能同时观测到4颗卫星。
GPS卫星发送的信号(简称GPS)能够进行厘米级甚至毫米级的静态定位。使用GPS卫星的关键设备是：能够接收、跟踪、变换、测量GPS信号的接收机。目前市场上达五十余种。
GPS除了能进行精密水准测量外，GPS定位将可取代三角测量、三边测量和导线测量等常规大地测量技术。GPS卫星定位和低空摄影测量相结合，可能成为一种大比例尺快速测图系统。
GPS卫星定位和卫星摄影测量相结合，还可能成为一种动态地图自动测绘系统。
GPS定位不但观测简便，定位精度好，而且成本省，经济效益高，实践证明，GPS卫星定位技术比常规大地测量技术要节省85％的外业费用。 .cn
GPS在测量上可用于建立全国性的大地控制网，建立陆地和海洋的大地测量基准，可用于地壳变形监测，包括局部变形监测，也可用于测定航空摄影的动态参数，进行城市控制测量或其他控制测量，还可用于工程测量、地籍测量、房地产测量等领域，具有极高的应用价值。
一、全球定位系统简介
1．GPS卫星网
GPS卫星是由洛克韦尔国际空间部研制的，并由宇宙神F—sos运载火箭发射。如图3—22所示的卫星，重774kg，采用钻蜂窠结构，主体呈柱形，直径1．5m，星体两侧装有两块双叶对太阳定向的电池帆板，全长5．33m。太阳帆板总面积为5m2，初期功率为580W。星体底部装有多波束定向天线，能发射L1和L2波段信号，其波束方向图能覆盖半个地球，在星体两端面上装有全向选测摇控天线，用于与地面监控网通讯。GPS系统原计划由24颗卫星组网，按三个轨道平面，每个轨道8颗分布。1978年，由于压缩国防预算，减少了拨款，于是把GPS系统的卫星数由24颗减少到18颗。后增加投资仍采用24颗卫星。
24颗卫星现分布在六个轨道平面上，如图3—21所示两轨道之间的夹角60°，对赤道的倾角为55°，每个轨道面上布设3颗卫星，彼此间隔相等，相距120°，从一个轨道面的卫星到下一个轨道面的卫星间错动40°。
2．GPS卫星的监控系统
对于卫星大地测量而言，GPS卫星是以一种动态已知点描述卫星及其轨道参数，称为卫星星历；每颗卫星的星历由地面监控系统提供，另外，卫星入轨运动后，它的“健康”状况如何，也需地面设备进行监测和控制。
地面监控系统包括一个主控站，三个注入站和五个监控站。主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、传输、诊断等设备。它的主要功能是：收集各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等；根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历，时钟改正，状态数据以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站；监控整个地面监控系统是否工作正常，检验注入卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发出；调度备用卫星替代失效的工作卫星，将偏离轨道的卫星“拉回”到正常轨道位置。
监控站是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机测量每颗可见卫星的伪距和距离差，采集气象要素等数据，并将它们发送给主控站。 专业的3S站 3s8.cn
3．GPS系统的用户设备
对于GPS信号的用户而言，主要分为静态定位和动态定位，两者的用户设备均叫做GPS信号接收机，或称为GPS卫星定位仪。
GPS信号接收机的基本结构如图3—23所示，可概括为天线单元和接收单元两大部分。
天线单元由接收天线和前置放大器两个部件组成。
接收单元信号波道是核心部件，是一种软硬件相结合的有机体，它具有的波道数目从1至7个不等。数据记录器是在野外作业过程中用来记录接收机所有采集的定位数据，以供测后数据处理之用。视屏监控器包括一个视屏显示窗和一个控制键盘，作业员通过按键可从视屏窗上读取所要求的数据和文字。电池有机内外两种直流电源，例如WMl01接收机采用12V机内镉镍电池，或者12V外接蓄电池。
接收机种类很多，主要生产厂家有美国、英国、日本、德国、加拿大等数十家公司。
二、GPS定位测量设计
1．影响GPS测量技术设计的因素
GPS外业涉及面很广，因而外业阶段的技术设计是一个复杂的技术管理问题，经综合大致有以下一些因素应加以考虑：
(1)同测站有关的因素网点密度；布网方案；时段分配、重复设站和重合点的设计；
(2)同观测卫星有关的因素观测卫星数；卫星信号质量；图形强度因子；卫星高度角；星历来源。
(3)同仪器有关的因素接收机，用于精密相对定位时至少为两台；天线，若天线设计质量和稳定性欠佳，会带来一系列的误差；记录设备，可以是盒式数据磁带或软磁盘。
(4)后勤方面的因素动用接收机台数及其来源和使用期间；测区内各时段，机组的调度；其他外业装备，主要是效能工具和通讯设备。
2．布网方案
(1)GPS网精度类级
各级GPS网的定位精度，可按相邻间基线向量的中误差来
衡量：
式中：m。为基线向量中误差；
a为固定误差，b为比例误差；
D为相邻间距离。
各级GPS网最后结果的水平分量的中误差，不得超过表3—10的规定。
(2)GPS网的布设
a．所选点位要便于低等级常规测量的使用，每一个GPS点应与两个或两个以上的控制点通视，困难情况下也至少保持与相邻一个控制点通视，否则，需埋设方位桩，且用GPS联测。
b．GPS点间距离应按规范要求设计，可考虑灵活变动，以便于低等级控制点加密，小间中距相邻点位应进行直接联测。
c．GPS网点中各同步边应尽可能构成若干个闭合环，在完成各边的平差后，可检验闭合差是否满足相应等级要求。一等以上GPS网中至少包含三个闭合环且彼此线性无关；二、三、四等也应有两个以上的闭合环；五等网也至少有一个闭合环。
d．考虑将测区内原有的国家或地方测设的三角点进行联测，有利于两系统成果的变换，联测点应尽量均匀分布在整个测区的里面和外围。为求定转换参数，(GPS网要尽可能多地联测高等级的大地控制点，联测点和重合点的个数不得少于3个，特殊情况下也不得少于2个。
3．选点原则
选取GPS网点应满足下列基本要求：
(1)点位周围应视野较开阔，如公园、运动场、地面停车场内或建筑物楼顶，以利于安置接收设备和扩展、联测。
(2)GPS网点视场内不应有大于仰角15°的成片障碍物，以免阻挡来自卫星的信号接收。
(3)选定能便于长期保存，稳定坚固的地方设点，国家和地方基准点应埋设固定的标石或仪器墩用于安置接收机天线、墩标设于楼顶时，要对大楼的稳定性和形变定期监测。
(4)GPS网点应避开高压输电线、变电站等设施，其最近处不得小于100m，同时距离省市级强辐射电台、电视台、微波中继站不得小于300m，需要在这些地点设站时，必须在停止播发的时间段上进行定位作业。
(5)交通便利点位离开附近可通轻便车的道路不应超过500m，且在点位30m内有足够的空间安置接收机和方便操作进行。
(6)GPS网点应避开对电磁波接收有强烈吸收和反射影响的金属和其他障碍物，侧面倾向测站的各种平面物体，大范围水面等等。
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4．GPS接收机的选用
1)GPS接收机的选用
对于不同的GPS网的类级和控制等级，精度要求不一，此处提出选用接收机的基本要求，见表3—11。
(2)接收机及附属设备的检验与维护
a．接收机、天线及其他设备是否完整齐全，可随时出测。
b．各设备及电缆外部有无损伤、锈蚀，能否确保安全连接。
c．充电后信号灯、按键、显示系统以及仪表工作是否正常，可用自测试命令进行测试。
d．用于A、B级的接收机，每年出测前至少检定一次，按规范要求应在不同长度的标准基线或规定的比较基线或GPS测量检验场上进行测
试。
e．新出厂的A、B级GPS观测的接收设备应进行天线相位中心稳定性检验，经检验或更换插板的接收机，有关检验和试测项目需要重新进行。
f．通风干湿表及空盒气压表，至少每三年送检一次，天线的圆水准气泡和光学对中器每年至少进行一次检校。
g．仪器在搬运过程中应注意严格遵守各项安全措施。
三、外业观测
目前，GPS测量已进入了毫米级定位的新阶段，因此，在外业观测阶段一定要严格遵守作业纲要和操作规程，以利于提高观测质量，避免或减少粗差。
GPS测量是测定天线相位中心的坐标，而人们需要的是地面标志点的坐标，这就涉及如何设置天线并测定其偏心元素。此外，大气状态对测量成果的质量有一定的影响，观测中还要完整地作好气象观测记录，以便在数据处理中顾及这种影响。1．天线设置
机组到达测站后，在安置仪器的同时进行天线的设置，测量中由于一般使用静态定位，故此处只介绍静态定位中的天线设置。
(1)设置方法若在墩标上设置天线，应将天线装置固定在一个特制的基座上。基座上的三个脚尖应分别落在标志盘上互成120°的三个槽内，然后调节圆水准气泡居中，若在脚架上设置天线，则与传统测量中对中、整平方法一样进行。
(2)量仪器高，天线装置在相位中心标志线至测量标志中心顶面的高差定义为GPS测量的仪器高。仪器高h分解为两部分：
h=h。+h’ (3—45)
式中：h。为相位中心至天线装置底面的高差(仪器厂方检定并提供)，对于双频爆收机，h。有三种：h。’、h。、hc，分别为相应于L1、12和双频消电离层影响组合观测值的相位中心；h’，为底面至标石顶部的高差的量测值。
(3)测定归心斗索一般不作偏心观测，若迫不得已进行偏心观测，则需测定归心元素，进行归心计算。
2．观测作业
(1)接收机安置接收机必须安置在离天线l0m以外，天线电缆长度所允许的距离范围以内。
(2)预热接收机本机振荡需要通过相当一段时间的预热才能达到工作状态。预热时间可按厂方提供的操作说明书中的规定确定。
(3)开机开关置于开机状态，采用静态定位工作模式，输入测区、测站和仪器有关的信息和数据，包括仪器号、点号、近似坐标，作业日期等，作业过程中输入仪器高，气象观测值等。
输人调查和控制接收和记录工作的指令，如开始记录数据，星历、增加观测卫星。停止某一颗卫星的跟踪，停止观测记录等等。
(4)搜索测站上空完成基本信息数据输入后，可以命令接收机开始搜卫星。一种方法是盲目搜索，主要用于检验接收机性能，观测作业一般不用此法，因为锁定一颗卫星的时间太长(大约30min)。另一种方法是定向搜索。这是在已知搜索目标(卫星号)或卫星星历的情况下搜索，该种方法搜索效率甚高，一般能在二、三分钟内可将预定信号捕获并锁定。
(5)数据记录观测卫星人武部锁定后，可按键发布命令或由程控命令自动开始记录观测数据。记录过程中，机组值班人不得离开观测现场。随时注意接收是否正常，作业员应将外业观测过程中出现的问题，显示信息按时序一一记入记簿。如果某一卫星或几颗卫星交替失锁时间累积超过该时段的1／3时，应考虑重严。对于精度要求高于二等或边长大于101KmGPS测量，每时段开始前和结束后至少各记录一次气象元素，气温、湿度读数到0．1℃，气压读至0．5mb。
3．停机和迁站
(1)停机按照调度命令的要求完成测站的观测任务之后，应调用相应的操作命令，停止卫星的跟踪，卸下观测数据，并将作业状态键置于等待状态，然后按调度命令规定迁站或待命。
(2)迁站完成关机程序后，应全面检查调度命令规定的每一项测绘工作是否已经全面完成；各项记录资料是否完整、齐全；各种仪器设备是否已经妥善装箱或装车；接收机电源处于关闭还是带电等待状态。
相继作业点间的迁站，接收机原则上采取带电等待状态，不要关闭电源，以维持晶振的供电和稳定。
四、作业成果检验
1．外业检验
外业期间要及时对观测工作及其质量进行检查评估，检验的内容有：
(1)外业观测组出发前，对分发各机组的调度命令进行审查，注意有无缺漏，同步观测机组的观测星组和时间是否一致，打印的数据、字迹是否清晰可辨；
(2)每一个观测时段结束后，各机组上交的数据资料，是否符合调度命令规定的要求；
(3)记簿中应该记录的项目是否完整；
(4)实时定位成果检验；
(5)观测数据中整周间断点数量的统计检验；
(6)观测值残差的统计检验；
(7)重复设站互关的检验；
(8)重复边长成果互差的检验；
9)环闭合差的检验。
2．测站成果检验
机组人员评定在各种主客观条件制约下，观测成果的质量如何，大致分为：良好、一般、存疑、报废四种。
无干扰、大气稳定、接收机运转正常，其他状态正常为“良好”；有明显干扰信号，大气过程有明显波动，接收机运转不很正常，仪器故障失锁致使10％左右观测数据无效等状态为“一般”；以上各项更严重，致使20％的数据不能被正常记录，实时定位解的收敛过程起伏大，解向量各分量的内符合精度在30-50m状态的“存疑”；
由于种种因素影响，使一个时候的额定工和量丧失1/3以上；或测站实时定位解算过程中收敛十分困难，最后解向最多数分量的内符合精度超过50m等状况为“报废”。
3．同步边观测质量分析检验
同步边又称基线或直接边，它的检验项目：
(1)观测值质量检查
a．剔除比平差中由于整周间断或误差超限剔除的观测值比例就小于10％-25％。
b．残差分布观测值与最或然值之差称为残差，由于软件中采用的模型不同，系统误差的残余部分对解的影响也不一样，目前尚未有更的GPS定位软件能使系统误差的残差所占比重降到与偶然误差相当的水平，而是远大于偶然误差部分，这是一个有待深入研究的课题。
(2)成果精度检验
同步边平差值的相对中误差应小于相应等级的限差。在国家和地方基准网点及国家基准网点的特级、零级GPS测量中，外业直接边用普通软件进行概略平差，内符合精度以及和以往历次重复平差值的互差均应在1-2ppm之间。
4．相关成果检验
(1)重复边成果互差，同一条边若先后观测多于一个时段，得到两个以上的边长成果，其互差的值应小于0．14m，相对，误差的上限为本级精度指标的2倍。重复数在三个时段以上时，各时段的平差结果与边长平均值比的偏差应小于0．10m。
(2)环闭合差的检验当测区内务同步边也组成一个封闭环时，各坐标差之和应为零，由于各种误差存在，三个坐标差分量(m为环中边数)。
（3）重合点的检验
若测区内有两个以上起算点，分别通用不同传算途径，推出同一点的坐标差应满足
式中：（dx,dy,dz）表示其中任何一个分量，m为传算边的总数。
同时还应满足
5．补测与重测
凡不符合规范及要求的成果，超差超限的成果须进行重测；凡缺测、漏测或经质量检查和数据处理后，观测数据不足时，有关成果则应补测。需补测、重测的成果，应统筹安排，同步进行。
五、平差计算及成果转换
先将观测值文件标准化，主要是：记录格式标准化，记录类型标准化，记录项目标准化，采样密度标准化，数据单位标准化，标准化后观测值即可输入计算机主处理程序进行GPS阿平差计算及成果转换。