一、GPS測量的誤差源和GPS定位網設計
1.GPS測量的誤差源GPS測量誤差按其生產源可分3大部分：GPS信號的自身誤差，包括軌道誤差(星歷誤差)和SA，AS影響；GPS信號的傳輸誤差，包括太陽光壓，電離層延遲，對流層延遲，多路徑傳播和由它們影響或其他原因產生的周跳；GPS接收機的誤差，主要包括鐘誤差，通道間的偏差，鎖相環延遲，碼跟蹤環偏差，天線相位中心偏差等。
2.GPS定位網的設計由GPS測量的誤差源可以看出，GPS網的設計已免除了測角、邊角同測和測邊網等的傳統要求。它不需要點間通視，也不需要考慮布設什么樣的圖形，也就更不需要考慮圖形強度，不需要設置在制高點上(哪里需要就可以設置在哪里)。所以GPS網的設計是非常靈活的。但也應注意以下幾個問題：
①除了特殊需要，一般GPS基線長度相差不要過大，這樣可以使GPS測量的精度分布均勻；
② GPS網不要有開放式的網型結構，應構成封閉式閉合環和子環路；
③ 應盡量消除多路徑影響，防止GPS信號通過其他物體反射到GPS天線上，因此應避開強反射的地面，避開強反射環境，如山谷、山坡、建筑物等；
④ 避開強電磁波干擾，設站應遠離雷達站、電臺、微波中繼站等。
二、軌道誤差(星歷誤差)和SA，AS影響；
1.軌道誤差有關部門提供一定精度的。衛星軌道，以廣播星歷形式發播給用戶使用，從而已知觀測瞬間所觀測衛星的位置，因而衛星軌道誤差與星歷誤差是一個含義。衛星星歷誤差又等效為偽距誤差。由于衛星軌道受地球和日、月引力場、太陽光壓、潮汐等攝動力及大氣阻力的影響，而其中有的是隨機影響，而不能精密確定，使衛星軌道產生誤差。目前，GPS衛星軌道誤差的等效偽距誤差(使用的衛星廣播星歷)為4.2m。美國的SA政策和AS政策人為地使導航定位的精度降低，點位誤差有時達到100m。控制網的靜態GPS測量是利用載波相位測量，一般是由一個點設為已知點與一個待定點位同步觀測GPS衛星，取得載波相位觀測值，從而得出待定點位的坐標或兩點間的坐標值，稱為基線測量，短基線測量可以消除SA影響。動態測量解決SA影響的途徑是實時差分定位(稱Real-timeDGPS),即在已知坐標點上布設基準點，通過基準站取得誤差校正值，通過數據鏈實時傳給導航定位的移動站，從而消除SA影響及兩站的各種共同的誤差，提高了移動站的導航定位精度。加濾波等處理的導航軟件以及組合導航系統，已使導航定位精度差分距離在100km左右時達到亞米級，差分距離遠于1500km時達到米級。
2.美國的SA技術與AS影響SA技術是選擇可用性(Selective Availability)的簡稱，它是由兩種技術使用戶的定位精度降低，即δ（dither）技術和ε(epsilon)技術。δ技術是人為地施加周期為幾分鐘的呈隨機特征的高頻抖動信號，使GPS衛星頻率10.23MHz加以改變，較后導致定位產生干擾誤差，ε技術是降低衛星星歷精度，呈無規則的隨機變化，使得衛星的真實位置增加了人為的誤差。AS技術(Anti-Spoofing)叫反電子欺騙技術，其目的是為了在和平時期保護其P碼，不讓非授權用戶使用；戰時防止敵方對精密導航定位作用的P碼進行電子干擾。AS技術使得用C/A碼工作的用戶無法再和P碼相位測量聯合解算進行雙頻電離層精密測距修正，實際降低了用戶定位精度。
3.確定GPS衛星軌道是減少星歷誤差和消除ε技術影響的根本方法利用區域性GPS跟蹤網可以確定GPS衛星軌道。跟蹤站地心坐標的誤差對衛星軌道的影響是10倍或更大。因此，要提供優于2m精度的衛星軌道要求跟蹤站地心坐標的精度優于0.1m。據介紹，采用強約束全球站松弛軌道的加權約束基準方法，可以得出優于5cm的相對坐標值，基本上可以滿足我國現階段區域性定軌的需要。如果，以我國現有GPS衛星跟蹤網站，根據對各衛星記錄的觀測值，計算出對現有廣播星歷軌道根數的誤差改正值，可以進一步計算長弧軌道的精密星歷，從而能直接向用戶播發精密星歷，取代現有的ε技術降低精度以后的廣播星歷。
三、太陽光壓對GPS衛星產生攝動加速度。
太陽光壓對衛星產生攝動影響衛星的軌道，它是精密定軌的較主要誤差源。太陽光壓對衛星產生的攝動加速度受太陽與地球間距離的變化(地球軌道偏心距)而引起太陽輻射壓力的變化，也與太陽光強度、衛星受到的照射面程和照射面積與太陽的幾何關系及照射面的反射和吸收特性有關，由于衛星表面材料的老化、衛星姿態控制的誤差等也使太陽光壓發生變化。已有的太陽光壓改正模型有：標準光壓模型、多項式光壓模型和ROCK4光壓攝動模型，這幾種光壓模型精度基本上相當，可以滿足1m定軌的要求。較近有人提出，用附加隨機過程參數的方法或者對較長的軌道用一階三角多項式逼近非模型化的長期項影響，可得到更理想的結果，甚至可以滿足0.1～0.2m精度的定軌要求。
四、電離層的信號傳播延遲電離層引起碼信號傳播延遲，它與沿衛星和用戶接收機視線方向上的電子密度有關，在垂直方向上延遲值在夜間平均可達3m左右，白天可達15m，在低仰角情況下分別可達9m和45m，在反常時期這個值還會加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失，在長基準測量中用雙頻接收機采集GPS數據，對觀測成果進行實時電離層延遲改正，可以獲得很好的效果。對于單頻接收機的用戶，雖然可以用數學模型進行改正，但其殘差仍然很大。也可以用提高衛星高度截止角減少其影響。在赤道和地極附近存在著嚴重的電離層赤道擾動和地極擾動。因而，利用雙頻GPS接收機觀測，只適用于沒有電離層擾動的中緯度地區來進行電離層改正。赤道擾動。較壞的電離層影響是在赤道附近。強烈影響大概在±10°以內的區域，此影響可延續至赤道兩邊的±30°。擾動一般在日落到午夜發生，延續到第二天黎明。它是由電離層中電子含量小規模無規律引起的，它有幾米到幾千米的波長，這些無規律的電子密度能夠產生衍射和反射效應，接收的信號能使相位和振幅變異，它能妨礙GPS衛星信號跟蹤，引起周跳。甚至基線在10km以內時，強烈的電子水平分布梯度能使模糊度解算不能進行。地極擾動。它沒有赤道附近那么強烈，它的發生與磁暴活動有關，它主要是位于磁緯的69°～70°的極光帶。在強磁暴期間，這些極光影響能延伸到中緯度地區，使周跳數增多。
五、對流層的信號傳播延遲對流層延遲是電磁波信號通過對流層時其傳播速度不同于真空中光速所引起的。分干大氣分量和濕大氣分量。在低仰角時它可以達到20m。其中干大氣分量約占80%～90%，可以用一定的模型大部分改正掉。溫大氣分量數值雖不大，但它隨緯度和高度的變化呈現出很大的變化，而且隨時間變化得非常快。由于空氣中的水汽和干氣相當難以預測，所以測量中往往測量的是干、濕分量混合體，故難以得到它的準確值。到目前為止已開發出來了許多計算濕對流層延遲的實用模型，但對流層延遲仍為主要誤差源。對流層延遲與電離層延遲一樣，主要影響天頂方向，由于它們的相關性，在短基線測量中會很好的消除，在長基線測量中采取雙頻接收機也能很好的減少其影響。對于對流層延遲，多用隨機過程模擬和濾波方法進行參數估算及函數逼近方法模擬改正。好的數學模型改正，可以使基線天頂方向提高到水平方向(平面坐標)接近的水平。
六、多路徑誤差
多路徑誤差是指GPS信號射至其他的物體上又反射到GPS接收天線上，對GPS信號直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設仰徑板，當仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m,可抑制多路徑影響。據大量資料的分析統計，多路徑誤差有以下危害：①當邊長小于10km時，主要誤差源是天線的對中誤差和多路徑誤差；
②多路徑誤差對點位坐標的影響，在一般環境下可達5～9cm，在高反射環境下可達15cm;③在高反射環境(城鎮、水體旁、沙灘、飛機、艦船等)下，碼信號受多徑誤差的影響，可導致接收機的相位失鎖；
④實踐證明，觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。接收機天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS信號產生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構成鏡反射。因此，選擇GPS點位時應特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。
七、周跳
1.周跳和周跳的產生。
周跳也稱為失周。在精密的GPS相對定位中采用的觀測值是相位觀測值。相位觀測值是接收機本機振蕩產生的相位與接收到的衛星載波相位之差，在量測時，只能測到不足1周的小數部分(可準到0.01周)。在理想條件下，接收機在鎖住衛星后可保持跟蹤，從而測出包括整數部分的相位變化量，因此每個歷元的相位觀測量與接收機到衛星的距離相差載波波長的一個整數倍，它是一個固定不變的值，該整數被稱為整周模糊度，在解算時與其他參數一起求出。在實際觀測條件下，接收機往往會由于某種原因(如衛星信號被擋住)對衛星短時間失去跟蹤，在失去跟蹤時間內相位的變化就不能被測出，稱為失周或失鎖，也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中，大氣軌道誤差基本被抵消，電離層和對流層延遲由于它們的相關性也消除了大部分影響，失周大小能保持較好的整數特性，較容易處理。產生周跳的原因，可分為外部原因和接收機質量問題。外部原因有：衛星信號被天線附近的地形地物短時間遮擋；動態測量時，由于載體運動速度太快或天線傾斜使信號丟失；由于多路徑誤差、電離層活動加劇、對流層延遲影響，使衛星信號的噪聲偏大而產生周跳。GPS接收機質量不佳：衛星信號在接收機電路中受干擾，導致信號丟失；接收機內信號處理單元質量不佳；接收機內跟蹤環路設計不理想，在某些環境下，將使相位發生180°或90°位移，從而產生周跳或1/4周跳。
2.周跳對點位坐標的影響
在GPS相位測量中，觀測數據中大于10周的周跳，在數據預處理時不難發現，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特別是1～5周的周跳，以及半周跳和1/4周跳，不易發現，而對含有周跳的觀測值周跳的影響視為觀測的偶然誤差，因而嚴重影響坐標的精度。
據拉查佩利的統計，一個周跳對經度、緯度、高程的影響為
ΔＬ＝0.03～0.06m
ΔB＝0.10～0.18m
Δh＝0.14～0.16m
可見，即使只有一個衛星存在一個周跳，也會對所測點產生幾厘米的誤差。由于一個點位坐標是由4個以上衛星所確定的，故周跳對點位坐標的影響取決于以下因素：1.所測衛星的數量；2.所測衛星組成的幾何圖形；3.周跳影響各分量的大小和周跳次數。然而，即使只有一個衛星殘存有一個周跳，也會使該次定位點位坐標有幾毫米至幾厘米的誤差。由此可見，凡精度要求達到厘米級或分米級的GPS定位測量，都必須清除觀測數據中的全部周跳。
3.周跳的探測和修復周跳的處理可分為2步：從觀測數據中探測出全部周跳及將探測出的周跳加以全部修復。周跳的探測和修復都應在觀測數據的預處理階段進行。GPS相對定位中的失周處理是非常麻煩復雜的問題，因而應盡量避免周跳的發生。為此，對于儀器本身應通過儀器檢定，在測定其質量確定可靠時才能用于測量作業，在測量作業中尤其應防止多路徑的影響，避免失周的現象發生。對于周跳的探測和修復已有許多軟件處理方法。也可以用組成單差、雙差、3差和4差，根據組成高階差數后，周跳被成倍放大，階數越高，放大倍數越大的特性，能夠快速有效地探測出周跳。先進的GPS接收機內裝有“專用算法器”，可探測出大部分周跳，供處理數據時使用。避免和正確處理周跳，是提高GPS測量精度的關鍵。八、GPS測量儀器的質量檢定
上面已經談到GPS接收機常存在鐘誤差、通道間的偏差、鎖相環延遲、碼跟蹤環偏差、天線相位中心偏差等。所以必須先了解儀器性能、工作特性及其可能達到的精度水平。它是制定GPS作業計劃的依據，也是GPS定位測量順利完成的重要保證。也就是說對GPS測量儀器必須先進行作業前的檢驗，沒有檢驗的儀器是不能用于作業的。測量型GPS接收機實測檢驗項目有：①天線相位中心穩定性測試；②內部噪聲水平測試；③野外作業性能及不同測程精度指標的測試。④頻標穩定性檢驗和數據質量的評價；⑤高低溫性能測試。
九、單、雙頻接收機比較。
單頻接收機的優點是：①需要電子元件較大，對微處理器的要求較低，不需要昂貴的互相關器或Z碼發生器，產品數量大，價格只有雙頻接收機的一半；
②不易出故障，平均無故障時間(MBFT)約為8000h;
③不受DODP碼保密的限制；
⑤ 邊長短于10km時比雙頻結果精度高；
⑥ 功耗低，體積小，重量輕，給外業帶來方便。
缺點是：①點間距離超過20～30km時，定位精度受到電離層、對流層延遲的影響。凡點位相對精度要求2×10-6時，邊長不宜超過20～30km。
②在快速靜態和動態測量中觀測時間比雙頻接收機長。
雙頻接收機的優點是：①可以基本消除電離層延遲對點位坐標的影響，點間距離可達1000km;
②在快速靜態和動態測量中觀測時間比單頻機短。單頻機的優點則是雙頻機的主要缺點。十、結束語。
對于GPS控制網基線測量，基線長度較短的情況下(10km左右，較大不超過20～30km)，GPS的軌道誤差(星歷誤差)，太陽光壓影響及美國SA技術基本對測量精度不發生影響(它只能影響單點定位和長基線測量結果)。在作業過程中，在GPS接收機滿足作業精度要求的情況下，測量的主要誤差源是多路徑誤差、周跳和點位的對中誤差。作業中應盡量避免它們的發生并減少其誤差。電離層延遲和對流層延遲主要影響基線測量兩點間的高差精度，兩點間高差愈大影響也愈大。如果改正公式和參數不恰當，它可能產生每1m高差就有1mm的誤差，即1mm/m(誤差/高差)。電離層和對流層延遲對平面坐標(L、B或X、Y)影響甚微，幾乎沒有影響。電離層和對流層延遲具有相關性，基線愈短相關性越強，在短基線測量中它們的影響會有很好的消除。這就是邊長短于10km時，單頻結果比雙頻結果精度高的原因。
1GPS幾何定位原理
測量學中有測距交會確定點位的方法。同理GPS衛星定位也是利用測距交會的原理確定點位。假設在地面上有三個無線電信號發射臺，其坐標為已知，用戶接收機在某一時刻采用無線電測距的方法，分別測得接收機至三個發射臺的距離d1，d2，d3。只需以三個發射臺為球心，以d1，d2，d3為半徑做出三個定位球面，既可交會出用戶接收機的空間位置。反之利用3顆以上的衛星已知位置又可交會出地面未知點(用戶接收機)的位置。這就是GPS衛星定位的基本原理一空間距離，后方交會。
在GPS定位中，GPS衛星是高速運動的衛星，其坐標值隨時間在快速變化著。需要實時的由GPS衛星信號測量出測站點至衛星的距離，實時的由衛星的導航電文解算出衛星的坐標值，并進行測站點的定位。依據測距的原理，其定位原理與方法主要有偽距法定位、載波相位測量定位以及差分GPS定位等。對于待定點來說，根據其運動狀態可將GPS定位分為靜態定位和動態定位。靜態定位指的是對于固定不動的待定點，將GPS接收機安置于其上，觀測數分鐘及至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。若以兩臺GPS接收機分別置于兩個固定不變的待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點之問的相對位置，又叫相對定位。而動態定位則至少有一臺接收機處于運動狀態，測定的是各觀測時刻(觀測歷元)運動中的接收機的點位(絕對點位或相對點位)。
2RTK技術在公路測量中的應用
實時動態(RTK)定位有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式，兩種定位模式相結合，在公路工程中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣、監理和GIS地理信息系統)前端數據采集。
2.1快速靜態定位模式要求GPs接收機在每一流動站上，靜止的進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準站和衛星的同步觀測數據，實時解算整周未知數和用戶站的三維坐標，如果解算結果的變化趨于穩定，且其精度已滿足設計要求。便可以結束實時觀測。一般應用在控制測量中，如控制網加密；若采用常規測量方法(如全站儀測量)，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區實施比較困難，而采用RTK快速靜態測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5~l~n(隨著技術的不斷發展，定位時間還會縮短)，不及靜態測量所需時間的五分之一，在公路測量中可以代替全站儀完成導線測量等控制點加密工作。
相對于常規的測量方法來講，GPS測量有以下特點：2.1測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。2.2定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm 1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm 5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。
2.3觀測時間短。觀測時間短采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。例如使用Timble4800GPS接收機的RTK法可在5s以內求得測點坐標。2.4提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。2.5操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。2.6全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。通過以上對GPS測量的應用事例的探討，可以看出GPS在公路工程的控制測量上具有很大的發展前景：
第一GPS作業有著極高的精度。它的作業不受環境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區、局部重點工程地區等。
第二GPS測量可以大大提高工作及成果質量。它不受人為因素的影響。整個作業過程全由微電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數據預處理、自動平差計算。
第三GPSRTK技術將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地得出所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。
第四GPS測量可以極大地降低勞動作業強度，減少野外砍伐工作量，提高作業效率。一般GPS測量作業效率為常規測量方法的3倍以上。
第五GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發展的形勢下，往往由于這些地區地形條件的限制，實施常規的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。通過GPS在測量中的應用，得到如下體會。
（1）GPS控制網選點靈活，布網方便，基本不受通視、網形的限制，特別是在地形復雜、通視困難的測區，更顯其優越性。但由于測區條件較差，邊長較短（平均邊長不到300m），基線相對精度較低，個別邊長相對精度大于1／10000。因此，當精度要求較高時，應避免短邊，無法避免時，要謹慎觀測。
（2）GPS接收機觀測基本實現了自動化、智能化，且觀測時間在不斷減少，大大降低了作業強度，觀測質量主要受觀測時衛星的空間分布和衛星信號的質量影響。但由于各別點的選定受地形條件限制，造成樹木遮擋，影響對衛星的觀測及信號的質量，經重測后通過。因此，應嚴格按有并關要求選點，擇較佳時段觀測，注意手機、步話機等設備的使用。
（3）GPS測量的數據傳輸和處理采用隨機軟件完成，只要保證接收衛星信號的質量和已知數據的數量、精度，即可方便地求出符合精度要求的控制點三維坐標。但由于聯測已知高程點較少（僅聯測5個），致使的控制點高程精度較低。因此，要保證控制點高程的精度，必須聯測足夠的已知高程點。．
3 GPS測量的外業實施
（1）選點 GPS測量測站點之間不要求一定通視，圖形結構也比較靈活，因此，點位選擇比較方便。但考慮GPS測量的特殊性，并顧及后續測量，選點時應著重考慮：①每點較好與某一點通視，以便后續測量工作的使用；②點周圍高度角15°以上不要有障礙物，以免信號被遮擋或吸收；③點位要遠離大功率無線電發射源、高壓電線等，以免電磁場對信號的干擾；④點位應選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方，以便觀測和日后使用；⑤選點結束后，按要求埋設標石，并填寫點之記。
（2）觀測 根據GPS作業調度表的安排進行觀測，采取靜態相對定位，衛星高度角15°，時段長度45min，采樣間隔10s。在3個點上同時安置3臺接收機天線（對中、整平、定向），量取天線高，測量氣象數據，開機觀察，當各項指標達到要求時，按接收機的提示輸入相關數據，則接收機自動記錄，觀測者填寫測量手簿。
