全球定位系統（GPS）簡介
全球定位系統是用人造地球衛星進行點位測量的系統。它廣泛用於海空導航、導彈制導、動態觀測、時間傳遞、速度測量、車輛引導等領域。在測繪技術和工程建設方面，不僅在建立大地控制網、全球性的地球參數測量、板塊運動狀態監測、航空航天參數測定、建立陸地海洋大地測量基準等方面得到應用，而且在工程建設的規劃、設計、施工、驗收與監測、大型精密設備安裝、變形觀測、線路測量、精密工程測量等方面也日益廣泛地得到引用。
壹、GPS測量的優點
GPS是全球定位系統（Global Positioning System）的簡稱。GPS測量是利用衛星進行定位的壹項新的測量技術。與傳統的測量技術相比，它具有如下幾個方面的優點：
1）用途廣。用GPS信號可進行海空導航、車輛引行、導彈制導、精密定位、工程測量、動態觀測等。
2）觀測簡便。測量時，測量員只要將GPS接收機天線單元安置在測站上，接通電源，啟動接收單元；在結束測量時，只需量取天線高度，關閉電源便完成野外數據采集。另外，GPS是全天候測量系統，因此，可以在較短時間內以較少人力物力完成外業工作。
3）精度高。用載波相位測量作相對定位，相對定位精度可達到±（5mm+1×10-6·D）（D是比例誤差）的距離精度，觀測時間小於1h。若采用快速定位方法，觀測時間僅需2min左右，即能達到厘米級的定位精度。
4）經濟效率高。GPS測量不要求測站之間通視，可以省去常規測量所需的造標費用，又由於GPS測量精度高，作業時間短，因此經濟效益十分顯著。
二、GPS系統
GPS系統包括下列三大部分。
1.GPS衛星星座（空間部分）
GPS系統包括24顆衛星，均勻分布在6個近似圓形的軌道上，各個軌道平面之間交角為60°，每個軌道上有4顆衛星，軌道距地面高度約20200km，衛星繞地球壹周的時間為12h，地球上任何地方在任何時刻都能收到至少4顆衛星發來的信號。
每個GPS衛星連續地發送兩個不同頻率的無線電波（L1=1575.42MHz，L2=1227.60MHz）。載波上調制了多種信號，最主要的有測距碼（P精碼、C/A 粗碼）和導航電文。測距碼用於測量衛星到地面點接收機的距離；導航電文用於計算衛星的軌道參數。
2.地面監控系統（地面控制部分）
GPS衛星上的各種設備是否正常工作，以及衛星是否沿著預定軌道運行，都由地面監控系統進行監測和控制。地面監控系統包括壹個主控站、3個註入站和5個監測站，分布在美國本土和世界其他地區的美軍基地上。
GPS衛星是壹種動態的已知點，它是依據衛星發送的星歷（描述衛星運動及其軌道的參數）計算而得的。每顆GPS衛星所播發的星歷是由地面監控系統提供的。
另外，地面監控系統還監測各顆衛星的時間，並計算它們的有關改正數，進而由導航電文發送給用戶，以確保各顆衛星處於同壹GPS時間系統。
3.GPS接收機
GPS接收機的主要功能是解碼，分離出導航電文，進行相位和偽距測量。GPS接收機從結構來講，主要由五個單元組成：天線和前置放大器；信號處理單元，它是接收機的核心；控制和顯示單元；存儲單元；電源單元。
GPS接收機主要用於以下兩個方面：
1）靜態定位。用戶天線在跟蹤GPS衛星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，連同GPS衛星在軌的已知位置，可算出固定不動的用戶天線的三維坐標。後者可以是個固定點，也可以是若幹點位構成的GPS網。靜態定位的特點是多余觀測量大，可靠性強，定位精度高。
2）動態定位。載體（車輛、船艦、飛機等）上的用戶天線在跟蹤GPS衛星的過程中相對地球運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態參數。動態定位的特點是逐點測定運動載體的狀態參數，多余觀測量少，精度較低。
GPS接收機的型號很多，按其所用載波頻率的多少可分為用壹個載波頻率（L1）的單頻接收機和用兩個載波頻率（L1L2）的雙頻接收機。單頻接收機便宜，而雙頻接收機能消除某些大氣延遲的影響。對於邊長大於10km的精密測量，最好采用雙頻接收機，而壹般的控制測量，單頻接收機就行了。
三、GPS定位的基本原理
GPS測量有偽距與載波相位兩種基本的觀測量。GPS接收機測量了衛星信號（測距碼）由衛星傳播至接收機的時間，再乘上電磁波傳播的速度，便得到由衛星到接收機的偽距。但由於傳播時間含有衛星時鐘與接收機時鐘不同步誤差，以及測距碼在大氣中傳播的延遲誤差等，所以求得的偽距並不等於衛星與測站的幾何距離。載波相位測量是把接收到的衛星信號和接收機本身的信號混頻，再進行相位測量。偽距測量的精度約為壹個測距碼的碼元長度的百分之壹，對P碼而言約為30cm，對C/A碼而言為3m左右。而載波的波長則短得多（分別為19cm和24cm），所以載波相位測量精度壹般為1～2mm。由於相位測量只能測定載波波長不足壹個波長的部分，因此所測的相位可看成是波長整倍數未知的偽距。
GPS定位時，把衛星看成是動態的已知控制點，利用所測的距離進行空間後方交會，便可得到接收機的位置。
GPS定位包括單點定位和相對定位。
獨立確定待定點在WGS-84世界大地坐標系中的絕對位置的方法，稱為單點定位或絕對定位。其優點是只需壹臺接收機即可獨立定位；外出觀測的組織及實施較為自由方便，數據處理也較簡單，但其結果受衛星星歷誤差和衛星信號傳播過程中的大氣延遲誤差的影響比較顯著，所以定位精度較差，壹般為幾十米。單點定位在船舶、飛機的導航、地質礦產勘探、暗礁定位、海洋捕魚、國防建設及低精度測量等領域中有著廣泛的應用前景。
相對定位是確定同步跟蹤相同的GPS衛星信號的若幹臺接收機之間的相對位置（三維坐標差）的壹種定位方法。相對定位測量時，許多誤差對同步觀測的測站有相同的或大致相同的影響。因此，計算時，這些誤差可以抵消或大幅度削弱，從而獲得很高精度的相對位置，壹般精度為幾毫米至幾厘米。相對定位與單點定位相比，外業觀測的組織與實施以及數據處理就復雜壹些。相對定位廣泛用於大地測量、工程測量、地殼形變監測等精密定位領域。
四、GPS相對定位的主要誤差來源
1）時鐘誤差。衛星上的時鐘誤差和接收機的時鐘誤差都是GPS測量的主要誤差。
2）衛星位置誤差。GPS衛星的位置是依據衛星發送的星歷計算而得的，其平均誤差約為20mm。令dr為衛星位置誤差，則其對相對定位的影響可近似用下式估算，即
建築工程測量
式中：D——兩接收機問的距離；
dD——相對位置誤差；
S——接收機到衛星的距離，近似為20000km。
例如dr=20m，對兩點相位位置的影響為1×10-6。
3）大氣延遲影響。衛星信號要穿過大氣層才到達接收機，因此大氣對衛星信號有延遲作用（影響其傳播速度）。從地面到約50km高空的大氣叫對流層，對流層的延遲是大氣中氣溫、氣壓和濕度的函數，可通過測站上所測量的氣象要素進行改正。50km以上高空的大氣叫電離層，它的影響用雙頻接收機的測量結果來改正。
4）多路徑誤差。經某些物體表面反射後到達接收機的信號和直接來自衛星的信號疊加進入接收機，使測量產生誤差。其影響與天線周圍環境有關。因此，選擇合適的測站位置是減少此項誤差的主要措施。
5）觀測誤差。觀測誤差與測量所用信號的波長有關。用C/A碼和P碼做偽距觀測，誤差分別為3m和0.3m；載波相位測量，誤差為1～2mm。
壹般來講，GPS相對定位的精度可表示為
σ2=a2+b2·D2 （6-26）
式中：σ——相對定位中誤差；
a——固定誤差部分；
b——比例誤差部分；
D——兩測站間的距離。
復習題
1.經緯儀導線測量的外業工作包括哪些內容？
2.選定導線點時應註意哪些問題？
3.導線與附合導線的計算有哪些異同點？
4.按表6-11已知數據，計算閉合導線各點的坐標值。
表6-11 閉合導線坐標