全球定位系统（GPS）的发展史

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。1957年，人造地球卫星上天，人们从此开始了卫星大地测量和卫星定位测量。GPS起始于1958年美国军方的一个项目；1973年，美国国防部批准建立全球定位系统（GPS）；1974年，美国开始研制GPS；1978年2月22日，第一颗GPS卫星上天，主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的；1991年，全球第一台采用快速静态测量技术的GPS产品-System 200诞生；1993年12月8日，美国国防部正式宣布GPS已达到“初始运作能力”，GPS的单点定位精度为±25 m（P码）或±100 m，相对定位精度±（5 mm+1×10-6·D）；到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成，按《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314—2009），GPS测量精度共划分为AA、A、B、C、D、E级。

GPS由空间部分、地面控制系统和用户设备部分三部分组成。

GPS的空间部分由24颗卫星（21颗工作卫星、3颗备用卫星）组成，位于距地表20 200 km的上空，运行周期为12 h。卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

地面控制系统由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado.Springfield）。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。

用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源，设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电，关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。各种类型的接收机体积越来越小，质量越来越轻，便于野外观测使用。GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式；根据接收机按载波频率分类有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。

单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位，由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（＜15 km）的精密定位。

双频接收机可以同时接收L1、L2载波信号，利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千千米的精密定位。

GPS的优势有：

1.全球全天候定位

GPS卫星的数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续的导航定位服务（除打雷闪电不宜观测外）。

2.定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50 km以内可达10-6，100～500 km可达10-7，1 000 km可达10-9。在300～1 500 m工程精密定位中，1 h以上观测时解其平面位置误差小于1 mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差最大为0.5 mm，较差中误差为0.3 mm。

实时单点定位（用于导航）：P码1～2 m；C/A码5～10 m。(www.xing528.com)

静态相对定位：50 km之内误差为几毫米+（1～2）×10-6·D；50 km以上可达（0.1～0.01）×10-6·D。

实时伪距差分（RTD）：精度达分米级。

实时相位差分（RTK）：精度达1～2 cm。

3.观测时间短

随着GPS系统的不断完善、软件的不断更新，20 km以内相对静态定位，利用GPS仅需15～20 min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15 km以内时，流动站观测时间只需1～2 min；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟，因而使用GPS技术建立控制网，可以大大提高作业效率。

4.测站间无须通视

GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标。这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%～50%），同时也使选点工作变得非常灵活，可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。

5.仪器操作简便

随着GPS接收机的不断改进，GPS测量的自动化程度越来越高，有的已趋于“傻瓜化”。在观测中测量员只需安置仪器，连接电缆线，量取天线高，监视仪器的工作状态，而其他观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，结束测量时，仅需关闭电源，收好接收机，便完成了野外数据采集任务。

如果在一个测站上需作长时间的连续观测，还可以通过数据通信方式，将所采集的数据传送到数据处理中心，实现全自动化的数据采集与处理。另外，接收机体积也越来越小，相应的质量也越来越轻，极大地减轻了测量工作者的劳动强度。

6.可提供全球统一的三维地心坐标

GPS测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程。GPS水准可满足四等水准测量的精度，另外，GPS定位是在全球统一的WGS-84坐标系统中计算的，因此全球不同地点的测量成果是相互关联的。

瑞士阿尔卑斯山的哥特哈德特长双线铁路隧道长达57 km，为该工程的修建，瑞士特别重新作了国家大地测量（LV95），采用GPS技术施测的控制网，以厘米级的精度确定出了整个地区的大地水准面。该隧道于2006年全线贯通，整个工程的测量工作集中反映了工程测量的最新技术。