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引言从哥伦布环游世界后，人们认识到地球是圆的。那么“我在地球的哪个位置？”成为随之而来长久困扰人们的问题。起初，我们可以通过观察周围的物体，将其作为参照物，从而确定我们的相对位置。但是在沙漠或者海洋中时，没有可选的参照物，怎么办？后来人们通过观察天空中太阳或者恒星的位置，来解决定位和导航。可在多云或者起雾的天气怎么办呢？加上太阳和恒星的位置距离很高，观察精度就很低了。而GPS的出现使得这一系列问题得到了完美的解决。什么是GPS？GPS是NAVSTARGPS（NAVigationSystemwithTimeAndRangingGlobalPositioningSystem）的简称，即授时与测距全球定位导航系统。GPS源于军事需求，70年代开始研发。其设计初衷是在地球上任何时间，任何地点能够实现精确定位。随着科技的进步，GPS技术在不断的发展、成熟，在满足军事需求的同时开始在民用领域发挥出越来越重要的作用。目前，GPS在我国已经广泛应用于定位、导航、测量、自动化等诸多领域。GPS的系统可以概括为三部分：空间部分，即人造卫星；监控部分，指分步在地球赤道上的若干卫星监控站；用户部分，即用户手中接收卫星信号的终端设备。1）空间部分GPS在空间部分设计有24颗卫星，卫星12小时为周期，在20200km高度规定绕地球运行，以保证在地球上任何时间、任何地点可观测到高度角在15°以上的卫星不少于4颗。在每个卫星上装有高精度原子钟，原子钟晶振产生10.23MHz的基准频率。我们通常熟知的双频即是指通过基准频率变频产生的L1和L2两种不同频率载波。L1载波信号频率为1575.42MHz，由基准频率经154倍频（10.23×154=1575.42）得到。L2载波信号频率为1227.60MHz，由基准频率经120倍频（10.23×120=1227.60）得到。2）地面监控部分基准频率10.23MHzL1载波1575.42MHzC/A码1.023MHzP码10.23MHz×154×120÷10P码10.23MHzL2载波1227.60MHz虽然卫星原子钟的误差只有十亿分之三秒，但是仍然会产生微量漂移影响定位精度，因此需要地面监控站修正、同步卫星时钟。地面监控站可对卫星轨道进行监控、测量，误差大小经过计算传回卫星。3）用户终端部分用户终端部分设备则是通过接收接收GPS卫星信号，处理、计算后确定位置和时间。那么用户的设备是怎样通过GPS定位的呢？目前根据需要的精度和使用的设备，GPS测量方法一般可分为三类：1）、单机定位，使用一台GPS接收机，主要用于旅行、航海和军事，定位精度在5-100米；2）、修正差分定位（DGPS）,多用于近海导航、数据采集、生产控制等，精度0.5-5米；3）、相位差分定位，常应用于测量工作和机械控制等，定位精度可达0.5-20毫米。单机定位GPS系统中的卫星会不间断的广播导航电文，电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载波上发射。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。我们假设接收机在坐标系中的位置（x、y、z）。由于用户接收机使用的时钟与卫星时钟不可能总是同步，所以除了接收机的三维坐标（x、y、z）外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时钟差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。前面我们讲到，GPS卫星发送的信号有L1和L2两种频率载波。设计人员在L1和L2载波上分别调制两种编码信号，C/A码和P码。C/A码，又称粗码/捕捉码，是“伪随机”数字编码，表面上看是随机的，实际上它具有周期性，在一秒之内循环可以高达上千次。C/A码的频率经基准频率10分频得到，即1.023MHz。P码以10.23Hz的频率调制在L2载波上。C/A码由高精度原子钟控制产生，在接收机中，也有一个时钟用于产生与卫星中相匹配的C/A码。将接收机的C/A码通过电子线路移位一次，然后计算两个C/A码相关系数，并反复进行。若相关系数等于或接近1时，读取电子线路的移位计数，从而计算出卫星信号的传播时间（包含时钟差）。·修正差分定位（DGPS）修正差分定位法就是在单机定位的基础上发展而来。修正差分需要建立参考站和流动站。将接收机天线安置在一个已知坐标点上，这个接收机称为参考站或基站。参考站接收机开机后开始跟踪卫星，按照单机定位原理计算出定位结果。比较观测的距离值与已知值，其差值即为修正量。修正量通过无线电广播出去，流动站在无线电数据链的另一端，通过无线电接收装置，接收参考站发送的修正量。流动站同时跟踪卫星观测，得到各卫星的距离，利用接收的修正量对所测距离改正，便可计算出较高精度的定位结果。相位差分定位相位差分定位不同于修正差分定位技术，同时还涉及到许多有关统计分析学的知识。码差分修正技术一样，相位差分GPS测量也采用差分技术，工作时至少要有两台或两台以上的接收机同时观测。接收机安置在一个固定点或已知坐标点，称为参考站或基准站。另一台接收机围绕参考站可自由移动，故称为流动站，利用两机的观测数据可以解算出其间的基线向量。一般实现方法有两种：一种是基准站向流时钟差接收机信号卫星信号+1+1-1-1动站发送载波相位修正量（准RTK技术）。另一种是基准站将采集到的载波相位观测值发送给流动站，进行求差解算（RTK技术）。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度可以达到mm级，但前提是解算出整周模糊度。因此只有在相对定位、并有一段连续观测时间才能使用相位观测值，而要达到mm级的定位精度也只能采用相位观测值。相位差分的定位原理仍然是测定四颗卫星的距离，组合确定接收机的位置，其最大的不同之处是组合的计算方法。前面我们知道了L1和L2载波分别调制有C/A码和P码。C/A码和P码均为二进制码，其值用+1和-1表示，调制方式采用改变载波相位的方法实现，即每当二进制值发生变化时，载波信号的相位发生180°反转。这种载波相位的调制方法可以提供比C/A码和P码更为精确的测量结果。载波信号L1的波长仅为19.4cm，测量出信号传播路径中的整周波长数和不足一周的小数部分，那么接收机天线与卫星间的精确长度便可得到。下面简单说明一下模糊度解算的基本原理，这里抛开了许多复杂的因素，但仍然可以较好的解释整周模糊度解算的基本工作过程。下图所示，圆是接收机概率的位置范围，精确的点位在圆中某点。来自卫星的信号波面，被分割为圆内和圆外两部分，点的精确位置一定在圆内某一波面线上。观测第二颗卫星，同样会产生许多个波面线和相位线，精确的点位一定在两颗卫星的相位线的交点上；观测第三颗卫星，点位将进一步限定在三个相位线的交点上，再观测第四颗卫星，四个相位线的交点数将大大的减少，点的可能的位置进一步缩小。由于卫星星座在不停的运动，这些可能的点位将围绕其中一个点旋转，此点即为接收机的精确点位，它是可信度最大的解。误差来源电离层和大气延迟误差卫星信号在穿过电离层时，速度将会降低，这和光线穿过玻璃产生折射有点相似。由于大气层的延迟影响了信号的速度，对GPS的距离计算产生影响（因为光只有在真空中速度是常数）。电离层延迟的影响不是一个常数，其值与卫星高度、电离层密度、水蒸气等因素有关。目前减小电离层误差的方法有两种：一种方法是取得电离层影响的平均值，在计算距离时加以改正；第二种方法是采用“双频”GPS接收机。当无线电信号穿过电离层时，其速度降低的多少与其频率的高低成反比。因此，对两个载波信号所测定的传播时间进行比较，依照所得时间差便可精确确定电离层延迟的大小。大气中的水蒸气对GPS信号的影响可利用大气层模型加以改正。卫星与接收机的时钟误差前面我们提到GPS系统组成的监控部分即地面监控站对卫星时钟的漂移设施改正。接收机时钟与卫星时钟相比，精度和稳定性要次之，对定位精度有较大的影响。多路径误差当接收机天线安置在大的反射面附近时就易产生多路径效应，如天线安置在湖面、建筑物旁。卫星信号不是直接到达接收机天线，而是经反射面反射到接收机天线，显然测量结果是错误的。多路径误差可利用特殊的GPS卫星天线使之减弱，对于高精度测量，较好的方案是采用Choke－Ring天线，如徕卡AR25，这种天线周围有4－5个同心圆环，可以捕获非直射的信号。精度因子（DOP）精度因子（DOP）是对卫星星座分布的几何强度的描述，与卫星在空间的分布位置有关。DOP值指示了卫星测距误差的影响。由前述内容知道，天线至卫星间的距离受到各种因素的影响，具有一定的误差范围，则所测点的误差范围为图中的阴影区域。当卫星的空间分布较好时，该阴影区域较小（图16左），而当两颗卫星靠得较近时，阴影区域就会变大。根据误差在空间方向的不同，精度因子DOP可分为几种：VDOP―垂直精度因子，表示在垂直方向上的定位精度；HDOP―精度因子，表示在水平方向上的定位精度；PDOP―三维精度因子，表示在空间点位的定位精度；GDOP―精度因子，表示在空间点位及时间的定位精度；GDOP值，它是所有DOP值的综合表示。减小GDOP值影响的有效方法是观测尽可能多的卫星。但是要记住，高度角较低的卫星受各种误差来源的影响是很大的，GPS测量时，最好只观测在地平线15°以上的卫星。GDOP愈小，GPS的定位精度就愈高，GDOP值通常要求在8以下。GPS作业模式多数的GPS接收机可以用几个不同工作模式测量，测量员应依据实际情况选择工作模式。静态测量（Static）―应用于长的线路、大地控制网测量、板块结构学等。快速静态测量(RapidStatic)―应用于地方控制网测量、控制网加密等。动态测量(Kinematic)―用于局部区域的碎部测量，在较短的时间内测定许多个点。实时动态测量（RTK）―实时动态测量通过无线电数据链将参考站的观测数据传输到流动站，在流动站上可实时计算得到点的坐标。和动态测量类似，适用场合为局部区域的碎部测量，是一种实时获取点坐标的有效方法。我们常用的GPS监测以及大地测量是采用精度最高的相位差分定位法。我国现行的GPS测量规范中规定了5个精度级别（A、B、C、D、E）。GPS网相邻点间基线长度精度公式为：σ为标准差，a为固定误差，b为比例误差系数，d为相邻点距离。更多GPS外业、基线向量解算、网平差等规范请参阅《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009。结语GPS作为一种全新的现代空间定位技术，以其高精度、高效率、高度自动化、全天候作业、操作简便等诸多优点在各领域发挥了重要作用。例如，在航空中，GPS技术用于获取信息采样点的位置坐标、飞行时准确的导航定位等；在气象学研究中，利用地面GPS来探测大气，进行天气预报；在地震研究、建筑物安全监测中，利用GPS进行构网实时监测等等。与常规测量方法相比，GPS技术不仅可以满足其精度要求，而且有助于测量工作的自动化和实时化。