细节：全球卫星定位系统在工程测量中的应用
1.全球卫星定位系统简况与功能
1）GPS：是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的缩写词NAVSTAR/GPS的简称。其含义是利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球定位系统，国际上简称为GPS。它可向全球用户提供连续、实时、全天候、高精度的三维位置、运动物体的三维速度和时间信息。GPS技术除用于精密导航和军事目的外，还广泛应用于大地测量、工程测量、地球资源调查等广泛领域。在施工测量中近年来用于高层建（构）筑物的台风振荡变形观测取得良好的效果。
2）GPS的基本组成：分三大部分，即空间部分、地面控制部分和用户部分，如图1-32所示。
①空间部分。由24颗位于地球上空平均20200km轨道上的卫星网组成，如图1-33所示。卫星轨道呈近圆形，运动周期11h58min。卫星分布在6个不同的轨道面上，轨道面与赤道平面的倾角为55°，轨道相互间隔120°，相邻轨道面邻星相位差为40°，每条轨道上有4颗卫星。卫星网的这种布置格局，保证了地球上任何地点、任何时间能同时观测到4颗卫星，最多能观测到11颗，这对测量的精度有重要作用。卫星上发射三种信号——精密的P码、非精密的捕获码C/A和导航电文。
图1-32 GPS的三部分组成
②地面控制部分包括一个主控站，设在美国的科罗拉多，负责对地面监控站的全面监控。四个监控站分别设在夏威夷、大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭哥伽西亚和南太平洋的卡瓦加兰，如图1-34所示。监控站内装有用户接收机、原子钟、气象传感器及数据处理计算机。主控站根据各监测站观测到的数据推算和编制卫星星历、钟差、导航电文和执行其他控制指令，通过监控站注入到相应卫星的存储系统。各站间用现代化的通信网络联系起来，各项工作实现了高度的自动化和标准化。
图1-33 GPS卫星网
图1-34 GPS地面控制站的分布
③用户部分是各种型号的接收机，一般由六部分组成：即天线、信号识别与处理装置、微机、操作指示器与数据存储、精密振荡器以及电源。接收机的主要功能是接收卫星播发的信号并利用本身的伪随机噪声码取得观测量以及内含卫星位置和钟差改正信息的导航电文，然后计算出接收机所在的位置。
3）GPS定位系统的功能特点：
①各测站间不要求通视，但测站点的上空要开阔，保证能收到卫星信号。
②定位精度高，在小于50km的基线上，其相对精度可达1×10-6～2×10-6。
③观测时间短，一条基线精密相对定位要1～3h，短基线的快速定位只需几分钟。
4）提供三维坐标。
5）操作简捷。
6）可全天候自动化作业。
2.全球卫星定位系统的定位原理
由于电磁波在空间的传播速度已被精确地测定了，所以可以利用测定电磁波传播时间的方法，间接求得两点之间的距离，光电测距仪正是利用这一原理来测量距离的。但用光电测距仪是测定由安置在测线一端的仪器所发射的光，经安置在另一端的反光棱镜反射回来所经历的时间来求算距离的。而GPS接收机则是测量电磁波从卫星上传播到地面的单程时间来计算距离，即前者是往返测，后者是单程测。由于卫星钟和接收机钟不可能精确同步，所以用GPS测出的传播时间中含有同步误差，由此算出的距离并不是真实的距离，观测中把含有时间同步误差所计算的距离称为“伪距”。
为了提高GPS的定位精度，有绝对定位和相对定位两种，现分述如下。
（1）绝对定位原理 是用一台接收机，将捕获到的卫星信号和导航电文加以解算，求得接收机天线相对于WGS-84坐标系原点（地球质心）绝对坐标的一种定位方法。广泛用于导航和大地测量中的单点定位。
由于单程测定时间只能测量到伪距，所以必须加以改正。对于卫星的钟差，可以利用导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，而接收机中的钟差一般很难预先确定，所以通常把它作为一个未知参数，与观测站的坐标在数据处理中一并求解。
求算测站点坐标实质上是空间距离的后方交会。在一个观测站上，原则上须有三个独立的观测距离才可以算出测站的坐标，这时观测站应位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球面与地面交线的交点上。因此，接收机对这3颗卫星的点位坐标分量再加上钟差参数，共有4个未知数，所以至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测4颗卫星，如图1-35所示。
在绝对定位中，根据用户接收机天线所处的状态，又可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当接收机安装在运动载体（如车、船、飞机等）上，求出载体的瞬时位置称为动态绝对定位。若接收机固定在某一地点处于静止状态，通过对GPS卫星的观测确定其位置称为静态绝对定位。在公路勘测中，主要是使用静态定位方法。
图1-35 绝对定位原理
关于用伪距法定位观测方程的解算均已包含在GPS接收设备的软件中，这里不再论述。
（2）相对定位原理 由于受到各种因素的影响，使用一台GPS接收机进行绝对定位其定位精度很低，一般静态绝对定位只能精确到米，动态绝对定位只能精确到10～30m。这一精度是远远达不到工程测量要求的。所以工程中广泛使用的是相对定位。
相对定位的基本情况是两台GPS接收机分别安置在基线的两端同步观测相同的卫星，以确定基线端点在坐标系的相对位置或基线向量，如图1-36所示。当然，也可以使用多台接收机分别安置在若干条基线的端点，通过同步观测以确定各条基线的向量数据。相对定位对于中等长度的基线，其精度可达10-7～10-6。相对定位也可按用户接收机在测量过程中所处的状态分为静态定位和动态定位两种。
1）静态相对定位。由于接收机固定不动，可以有充分的时间通过重复观测取得多余观测数据，加之多台仪器同时观测，很多具有相关性的误差，利用差分技术都能消去或削弱这些系统误差对观测结果的影响，所以，静态相对定位的精度是很高的，在公路、桥隧控制测量工作中均用此法。在实施过程中，为缩短观测时间，采用一种快速相对定位模式，即用一台接收机固定在参考站上，以确定载波的初始整周待定值，而另一初始接收机在其周围的观测站流动，并在每一流动站上静止地与参考站上的接收机进行同步观测，以测量流动站与固定站之间的相对位置。这种观测方式可以将每一站上的观测时间由数小时缩短为几分钟，而精度并不降低。
2）动态相对定位。是将一台接收机设在参考点上不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测GPS卫星，从而确定流动点与参考点之间的相对位置，如图1-37所示。
图1-36 静态相对定位
图1-37 动态相对定位
动态相对定位的数据处理有两种方式，一种是实时处理，一种是测后处理。前者的观测数据无需存储，但难以发现，精度较低；后者的精度，在基线长度为数公里的情况下，精度约为1～2cm，较为常用。
3.GPS全球定位系统的精度等级与GPS接收机的检定项目
（1）GPS精度划分 根据《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314—2009）GPS精度划分为：A、B、C、D、E五级。A级GPS网由卫星定位连续运行基准站构成，其精度应不低于表1-5的要求。B、C、D和E级的精度应不低于表1-6的要求。用于建立国家二等大地控制网和三、四等大地控制网的GPS测量，在满足有关规定的B、C和D级精度要求的基础上，其相对精度应分别不低于1×10-7、1×10-6、1×10-5。各级GPS网点相邻点的GPS测量大地高差的精度，应不低于表1-6规定的各级相邻点基线垂直分量的要求。
表1-5 A级GPS网精度
表1-6 B、C、D和E级GPS网的精度
（2）GPS接收机的检定 根据《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》（CH8016—1995）分两类，共检定10项，见表1-7，检定周期为一年。
1）检定分类：
①新购置的和修理后的GPS接收机的检定。
②使用中的GPS接收机的定期检定。
2）对于不同的类别，检定的项目有所不同，见表1-7。
对于①类接收机，应检定表1-7中的所有项目。
3）表1-7中②类各项目的检定周期一般不超过一年。
表1-7 GPS接收机的检定项目
（续）
注：检定类别中“+”代表必检项目；“-”代表可检可不检项目。
4.我国国家高精度GPS网（NGPSN）的建立
我国从1991年开始对NGPSN项目进行生产性试验研究，根据试验结果制定了建网的观测方案、技术规程与仪器检定规程。NGPSN分三个层次：GPS连续运行站网、NGPSN A级网与NGPSNB级网。
（1）GPS连续运行站网的建设 1992～1996年期间，通过国际合作我国建立了武汉、拉萨、上海、乌鲁木齐、北京等GPS连续运行站。这些站加了IGS（国际GPS地球动力学服务）的连续运行网运行，通过不断更新的大地坐标框架等参数，实现了和全球三维地心动态大地坐标框架的联系，构成了我国的三维地心大地坐标框架，成为NGPSNA级网的坐标网架基准。
（2）NGPSN A级网的建设 1992年国家测绘局组织对A级网28个点进行观测，1996年又进行了复测，解出了相应于：ITRF（国际地球参考框架）1993的A级网点的坐标及其相应的运动速率。为B级网的数据处理提供了高精度三维地心坐标框架。
（3）NGPSN B级网的建设 从1991～1996年，共完成了818个B级网的观测、平差、数据处理与分析，建立了我国与国际地球参考框架ITRF相一致的高精度地心坐标基准框架，这项成果达到了国际先进水平，见表1-8，实现了我国大地坐标框架的精度从10-6到10-7量级的飞跃。
表1-8 我国NGPSN网的施测与精度情况
5.全球卫星定位系统在工程测量中的应用
①图根控制测量是在手级控制下用小三角测量、交会定点方法等加密满足测图需要的控制点。图根控制点的高程通常用三角高程测量或水准测量方法测定。