(一) 全球定位系统的基本概念

全球定位系统(GPS)是“授时、测距导航系统/全球定位系统(navigation system timing and ranging /global positioning system)”的简称。该系统是由美国国防部于1973年组织研制的，于1994年进入完全运行状态，主要为军事导航与定位服务的系统。GPS是以卫星为基础，以无线电为通讯手段，依据天文大地测量学的原理，实行全球连续导航和定位的高新技术系统。具有全球性、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。

(二) 全球定位系统的组成

GPS主要由空间卫星部分、地面监控部分和用户设备三部分组成。

1. 空间部分

GPS卫星星座设计为21颗工作卫星，3颗备用卫星，实际已有27—28颗在轨运行卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星。在地球上任何地区、任何时刻，可以同时接收4至11颗卫星的信号。GPS卫星的主要功能是接收并存储由地面监控站发来的导航信息;接收并执行主控站发出的控制命令;向用户连续发送卫星导航定位所需信息。

2. 控制部分

地面监控部分是由分布在世界各地的五个地面站组成，按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。监测站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、气象参数测试仪和计算机等设备，主要任务是完成对GPS卫星信号的连续观测，并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。主控站除了协调管理地面监控系统外，还负责将监测站的观测资料联合处理，推算卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将这些数据编制成导航电文送到注入站;另外，它还可以调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行，调度备用卫星，以替代失效的卫星开展工作。注入站的主要任务是将主控站编制的导航电文、计算出的卫星星历和卫星钟差的改正数等，通过直径为3.6m的天线注入相应的卫星。

3. 用户部分

用户设备主要由GPS接收机、硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成;GPS接收机由主机、天线和电源组成。其主要任务是捕获、跟踪并锁定卫星信号;对接收的卫星信号进行处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线间传播的时间;译出GPS卫星发射的导航电文，实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间。

(三) GPS接收机

GPS接收机的主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理，测定GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置(三维坐标)及运行速度等。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备，按不同用途分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机和姿态测量型接收机;按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机。

GPS接收机主要由GPS接收天线、GPS接收机主机和电源三部分组成。

1. GPS接收机天线

GPS接收机天线由天线单元和前置放大器两部分组成。天线的作用是将GPS卫星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流，并通过前置放大器将接收到的GPS信号放大。

2. GPS接收机主机

接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。变频器的主要任务是使接收到的L频段射频信号变成低频信号。信号通道是软硬件结合的电路，是接收机的核心部分，其作用是搜索、牵引并跟踪卫星，对广播电文信号进行解扩、解调成为广播电文，进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。存储器用于存储一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。微处理器是GPS接收机工作的核心，GPS接收机的工作都是在微机指令的统一协同下进行的。GPS接收机都有液晶显示屏，以提供GPS接收机的工作信息，并配有一个控制键盘，以便用户控制接收机的工作。

3. GPS接收机电源(www.daowen.com)

GPS接收机电源有两种，一种为内电源，一般采用锂电池，主要对RAM存储器供电;另一种为外接电源，常用可充电的12V直流镍镉电池组。

(四) GPS定位原理

GPS定位包括伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位。

1. 伪距测量及伪距单点定位

伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。伪距法单点定位，就是利用GPS接收机在某一时刻测定与4颗以上GPS卫星的伪距，及从卫星导航电文中获得的卫星瞬时坐标，采用距离交会法求出天线在WGS-84坐标系中的三维坐标。

2. 载波相位测量及载波相位定位

载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。GPS卫星载波上调制了测距码和导航电文，接收机接收到卫星信号后，先将载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波，称为重建载波。GPS接收机将卫星重建载波与接收机内由振荡器产生的本振信号通过相位计比相，即可得到相位差。

3. 实时差分定位

GPS实时差分定位的原理是在已有的精确地心坐标点上安放GPS接收机(称为基准站)，利用已知的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通信设备(称为数据链)将校正值发送给运动中的GPS接收机(称为流动站)。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进行修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。GPS动态差分方法有多种，主要有位置差分、伪距差分(RTD)、载波相位实时差分(RTK)和广域差分等。

(五) GPS控制测量

使用GPS进行控制测量可以避免地形等方面的局限，没有误差累积。GPS控制测量包括方案设计、外业测量和内业数据处理三个部分。

1. GPS控制网设计

GPS控制网的技术设计应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。设计时应注意如下问题: ①GPS控制测量一般使用三台接收机同时工作; ②控制点至少与一个其他控制点通视或在控制点附近布设一个通视良好的方位点; ③要求至少有三个GPS控制网点与地面控制网点重合; ④进行高程测量时，在测区内GPS点应尽可能与水准点重合或进行等级水准联测; ⑤GPS点应远离无线电发射台和高压线、大面积水域及电磁波反射(或接收)强烈的物体，周围环境应该视野开阔、交通方便。设计工作结束后，再按照常规测量的方法到野外选点，建立测量标志。

2. 外业观测

野外观测前，应该根据仪器数量、交通工具状况、测区交通环境及卫星预报状况制定作业调度表，其内容包括观测时段、测站号、测站名、接收机号和作业人员。外业观测的工作步骤和工作内容包括安置天线，安置GPS接收机，按操作手册规定顺序进行操作，观测数据下载及数据预处理。

3. 内业数据处理

内业数据处理主要任务包括: ①基线解算，也称观测数据预处理，即对两台及两台以上接收机同步观测值进行独立基线向量(坐标差)的平差计算。②观测成果检核，包括每个时段同步环检验、复测边检验和异步环检验。③GPS网平差。在各项检查通过后，得到各独立基线向量和相应协方差阵，在此基础上便可以进行平差计算，包括GPS网无约束平差和与地面网联合平差。