GPS在精密工程测量中的应用研究
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1 研究背景
近年来，随着GPS技术的广泛应用和深入发展，测绘科学正日益发生着深刻的变革，GPS除了越来越广地应用于普通工程测量之外，在地壳运动变形监测精密工程测量方面也正日益发挥着其巨大作用。罗列一些国外和国内的GPS精密工程测量项目，比如北京首都圈地震监测网络、深圳高精度测量框架、隧道、大坝、对撞机、核电站、高层建筑电视塔等。GPS精密工程测量与GPS普通控制测量相比，在精度要求、坐标基准、外业施测、数据处理等方方面面都有着巨大的差异，论文旨在深入学习和掌握GPS精密工程测量的特点以及其与普通GPS测量的区别与联系、从而熟悉GPS精密工程的设计、施测及数据处理技术。
2 精密GPS测量的理论基础
1．精密星历
因为星历也存在着误差，当GPS信息发播的卫星位置不正确时,将产生星历误差。通常,此误差的径向分量最小,而切向误差和横向误差则可能大一个数量级。幸运的是:这两种较大的分量误差不影响定位精度,只有卫星位置误差沿视线方向的投影才产生定位误差。由于卫星误差反映了位置预报,故星历误差随着最后一个地面注入站注入信息的时间而增长。此外,SA是星历误差的重要组成部分。据研究资料表明，对于24小时的干报而言，测距误差中星历误差约占2.1 m，此误差同各卫星钟密切相关．而且，这些误差对C／A码和P码是相同的.
大区域，米级精度实时定位为特征的广域差分系统正从研究阶段走向实用阶段。高精度GPS相对定位在较大范围内的地球动力学现象实时监测和大型精密工程测量里的应用也成为现实。由于GPS卫星广播星历，特别是事实施SA政策以后的卫星广播星历的误差影响，在上述高精度定位中，实时确定高精度的GPS卫星星历是保证定位精度的关键之一.卫星广播星历是用GPS的跟踪站的伪距测量值定轨外推的 。其精度加上SA政策的影响后为100米或更差，随着IGS数据的处理工作的不断完善，利用全球站数IGS数据处理中心用全球的几十到几百个站的一天或多天的 数据定轨，精度可达10厘米。
2．整周跳变的探测与修复
GPS载波相位测量，只能测量载波滞后相位1周以内的小数部分，不能测量 载波滞后 相位的整周数（）。其后的载波滞后相位整周数变化值（始后周数）是通过由多普勒积分由电子记数器累积读得的。由于 gps信号接受机自身故障或 gps信号意外中断，导致载波锁相环路的短盏失锁，而引起的多普勒记数的短盏中断，当载波锁相环路重新锁定后，多普勒记数又重新开始，以致造成载波滞后 相位整周数变化值（始后周数）的不连续记数。这种多普勒记数的中断现象，称为整周跳变，简称为周跳。
当GPS载波相位观测值没发生周跳时，卫星 一、次通过的载波滞后相位整周数是连续的，各时元的观测值都会还有一个共同的整周未知数N0，即时元t1 的整周模糊度 ，当发生周跳时其后所有的载波相位观测值都会含有一偏差值，该偏差就是中断期间所丢失的整周数，即周跳后的载波相位测量中的含有未知数N0+daita
2、电离层误差
由于电离层中存在自由电子,GPS信号在电离层中传播时将产生时延。时延值同自由电子数成正比。就一阶项而言,此时延值也同载波频率平方的倒数(1/f2)成正增长。载波平滑接收机的滤波器设计时应顾及此特性。
要改正受电离层时延影响的观测值,最简单的方法是采用时延内部的周日模型。利用GPS信息能够不断更新这些参数。此模型的有效精度,温带区约±2～±5m。
第二种技术是采用双频接收机。利用L1/L2频率的双频观测值可直接解算电离层时延。L1和L2到达时间之差可直接进行代数解算。对于一台质量较好的双频接收机而言,在基本消除电离层影响后,应能提供±1～±2m的测距精度。第三种方法是采用“码/载波相位扩散技术”(简称CCD技术)。就一阶项而言,电离层对码观测值的影响为 ，相位观测值的影响为 。由此可见,电离层对两种观测值的影响数值相同,符号相反。将这两种观测值加权组合即可基本削弱电离层误差,使单频接收机的测程扩大到400km,精度到±1cm+2×10-6D。第四种方法是基于准实时更新。它将用于广域差分GPS。此技术在全球温带也能得出±1～±2m或更高的精度。
3、对流层误差
另一种误差源是由于对流层引起的真空光速、气温、气压和湿度的变化。这些变化都将影响电波的传播速度。码和载波的观测值均受到同样的时延。对于多数用户和一般环境而言,采用可靠的对流层模型,有效精度可达到±1m或更高。周跳的探测与修复。
4数据处理
GPS数据处理的好坏将影响到定位成果的精度，因而，GPS数据处理成了GPS测量的重点内容之一。本文就数据处理问题作了一些论述及探讨，现将前面几章的论述总结如下：
(1) 基线解算的过程实际上主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分三个阶段进行，第一阶段进行初始平差，解算出整周未知数参数的和基线向量的实数解动；在第二阶段，将整周未知数固定成整数；在第三阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解-整数解。
(2) 基线解算一般情况下尽量不用人工干预，但基线解算质量通不过时，就需对残差图，进行分析，找出影响解算质量的因素并采取应对措施。
(3) GPS相对定位的观测量是WGS84坐标系中两点间的基线向量和相应的协方差阵，为检核GPS测量的精度和成果的可靠性，在WGS84坐标系中做无约束平差，消除图形闭合图形不符值。再进行约束平差，并将成果转换到工程应用所需的国家坐标系或独立坐标系的成果。
（4）现在市场上有许多GPS数据处理软件, Trimble Geomatics Office、Ashtech Solutions、LEICA Ski-Pro是较为流行的软件。用它们分别对清涧GPS数据进行了处理，比较了它们的优缺点。网平差软件TGGPS在九十年代较流行，由于运行环境是MS-DOS,现逐步被其它软件所取代，比如武汉大学的PowerAdj等。选用处理软件时应考虑到接收机类型、经济、定位精度等多种因素。
（5）GAMIT软件的在数据处理重中的应用实例我们可以列举三峡再ＧＰＳ测定垂直位移在三峡滑坡监测中的实现为例做以介绍如下：
因为长江三峡库区最突出的地质灾害是滑坡 ,了解和掌握滑坡稳态的一个极其重要手段是对滑坡形变进行监测。三峡库区滑坡采用ＧＰＳ监测水平位移 ,并首次采用了ＧＰＳ测定垂直位移。在ＧＰＳ进行滑坡监测中 ,监测数据的处理极为关键 ,采用美国麻省理工学院的ＧＰＳ分析软件ＧＡＭＩＴ进行基线解算 ,并用其ＧＬＯＢＫ软件进行ＧＰＳ网的统一平差计算。在进行数据处理时应考虑选择合理的坐标系统 ,并增设基准点以提高监测系统的可靠性。在对库区宝塔滑坡监测实例中 ,所得成果与精密水准测量所得的成果反映出的滑坡形变趋势一致 ,形变量也十分接近。因而在短距离的范围可用ＧＰＳ测量代替几何水准测量来进行滑坡体的垂直位移形变监测。
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