(图1)摘要GPS（global positioning system）全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。在测量领域，GPS系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面。本文将以开封市的省公路路网项目为例，概略叙述GPS系统在公路工程控制测量中的应用.
关键词： GPS定位系统 公路工程 控制测量应用
全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。
单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。
GPS具有电子罗盘、测速、测高、测面积、测距、测经纬度、自动画出运行轨迹、导航（飞机、汽车、轮船、人员行走）等功能。一机在手永不迷航。
主要应用领域：
旅游 、林业、 国土、 遥感、 地质、 城市建设、 地质测量、 石油、 海洋、 电力、电讯、铁路、 公路
大地测绘、 水利、 国防、 气象、 农业、 科学考察、 环境保护等行业。
在区域性变形监测方面，GPS已成为主要的技术手段。在我国，北京、天津上海已经建立了GPS地表沉降观测网，长江三峡库区建立了滑坡GPS监测网，建立了隔河岩大坝外观GPS自动化监测系统，应用GPS对大型工程建筑物也已开展了动态监测实验与测定。国内研究人员研制适应变形监测成果动态管理、动态报表、动态绘图的变形监测成果数据库管理系统；建立了变形分析预报模型自动化系统，提出用数据库管理系统实现对变形观测数据的综合分析管理与分析，采用回归法和灰色理论预测预报变形。从文献和实际应用来看，国内个别单位尝试利用数据库技术建立地面沉降数据库，借助CAD技术绘制一些简单的沉降图形，但功能有限，应用范围不大。国内目前没有采用MapInfo、Arc/Info等GIS平台实现多种图表分析并可视化沉降观测数据如沉降立体模型、沉降断面图生成、变形速度矢量图生成等相关的研究成果，在国外文献中也没有发现独立的地面沉降信息系统的研究成果。2.GPS系统组成
GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。
GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。
静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。
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大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。
近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：
1.船舶远洋导航和进港引水
2.飞机航路引导和进场降落
3.汽车自主导航
4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理
5.紧急救生
6.个人旅游及野外探险
7.个人通讯终端(与手机，PDA，电子地图等集成一体)
1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步
2.准确时间的授入
3.准确频率的授入
4.各种等级的大地测量，控制测量
5.道路和各种线路放样
6.水下地形测量
7.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测
8.GIS应用
9.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制
10.精细农业
a. 军事用途
美国海军核潜艇
配备GPS的士兵 GPS导航的舰载飞弹
b. 民间用途
车辆导航管理 对航空器的定位及导航 农业监控配备GPS的巡警
圣母峰的隆起研究 土地测量工程 森林调查、资源管理自助旅游
生态研究给动物戴的GPS项圈
正如人们所说："GPS的应用，仅受人们的想象力制约。"GPS问世以来，已充分显示了其在导航，定位领域的霸主地位。许多领域也由于GPS的出现而产生革命性变化。目前，几乎全世界所有需要导航，定位的用户，都被GPS的高精度，全天候，全球覆盖，方便灵活和优质价廉所吸引。
我国的GPS应用发展势头迅猛，短短几年，GPS在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域，GPS的广泛应用改变人们的工作方式，提高了工作效率，带来了巨大的经济效益。可以说，GPS在我国的应用前景是无限的。
GPS（Global Position System）是美国研制的导航、授时和定位系统。它由空中卫星、地面跟踪监测站、地面卫星数据注入站、地面数据处理中心和数据通讯网络等部分组成。用户只需购买GPS接收机，就可
享受免费的导航、授时和定位服务。
全球定位系统技术现广泛应用于农业、 林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通讯、城市管理等部门。
GPS现代化的体法是1999年1月25日美国副总统以文告的形式发表的。文告只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个GPS现代化实质,是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。随后美国军方和波音公司（GPS系统主要制造商）发表的文章都阐明了他的内涵：
一是保护，即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；
二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA,AS等；
三是保持，即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。
目前在轨道上的28颗卫星运行正常。其中的26颗是属于GPS BLOCK ⅡA型， 预计可以再正常运行2年，直到2002年初，即由原计划的5年寿命延长到10.6年，其中的两颗BLOCK ⅡR型号的GPS卫星正在轨道上正常运行，其中的一颗是1999年10月7日才发射的。
最新型的BLOCK ⅡF以有六颗进入了工厂生产线，其中的第一、第二颗计划在今年发射。
美国提出GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要， 这是GPS现代化中第一位的，根本的。具体地说，GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动。引用美军一名将领的原话：在军事行动的，或有危险的，或有威胁的环境下，要求GPS能对作战成员的战斗力提供更好的支持，对他们的生命提供更安全的保障，能有助于各类武器发挥更有效的作用。
美国经过调查认为，军事用户对GPS的需求大体有以下4个主要方面。
１．在今后“信息战”“电子战”的背景下，GPS必须要有更好的抗电子干扰能力；
２．要有安全的GPS使用范围，这包括两方面的含义，一是GPS用户能安全使用，二是对不同类型GPS用户要有不同使用范围，要区别对待；
３．GPS用户要有更短的首次初始化时间；
４．和其他军事导航系统和各类武器装备要相互配适。
使用美国GPS精码P（Y）的除美国军方以外，目前美国军方授权所在国家和地区的军方使用的有27个。
其中主要是北约国家的军方，在授权亚太地区军方使用的国家和地区主要有： 韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。
GPS除了在各类运载器（包括载人和火器）的导航和定位方面发挥了巨大作用外，在对战斗人员的支持和援助中发挥了关键性作用，因此评价极高。
在上述军事用户需求调查的基础上，美国军方和情报部门在1999年6月作出以下4项GPS现代化的响应技术措施。
增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。
在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。
军事用户的接受设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能。创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。
为更好地民用导航、定位、大气探测等方面的需求，美方认为他大体有以下5个主要方面。改善民用导航和定位的精度；扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；提高导航的安全性（integrity），如增强信号功率，增加导航信号和频道；保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。
基于上述需求，美方拟采取的措施有：
１．在一年一度评估的基础上， 决定是否将SA信号强度降为零。停止SA的播放，将使民用实时定位和导航的精度提高3—5倍。这已在今年5月1日零点开始实行。这里要说明一点。美国军方已经掌握了GPS施加 SA的技术，即GPS可以在局部区域内增加SA信号强度， 使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动。
２．在L2频道上增加第二民用码，即CA码。 这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。
３．增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。
１．GPS现代化第一阶段
发射12颗改进型的GPS BLOCK ⅡR型卫星，它们具有一些新的功能。既能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；ⅡR型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。
２．GPS现代化第二阶段
发射6颗GPS BLOCK ⅡF（“ⅡFLite” ）。GPS BLOCK ⅡF型卫星除了有上面提到的GPS BLOCKⅡR型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率， 即L5频道。GPS ⅡF型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗ⅡF型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以ⅡF卫星运行，共计24+3颗。
３．GPS现代化计划的第三阶段
发射的GPS BLOCK Ⅲ型卫星，在2003年前完成代号为GPS Ⅲ的 GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS Ⅲ型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS Ⅲ的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS Ⅲ计划，取代目前的GPS Ⅱ。
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通过以上对GPS测量的应用事例的探讨，可以看出GPS在多数工作领域的控制测量上具有很大的发展前景：
第一 GPS作业有着极高的精度。它的作业不受环境和距离限制，非常适合于地形条件困难地区、局部重点工程地区等。
第二 GPS测量可以大大提高工作及成果质量。它不受人为因素的影响。整个作业过程全由微电子技术、计算机技术控制，自动记录、自动数据预处理、自动平差计算。
第三 GPSrtk技术将彻底改变公路测量模式。rtk能实时地得出所在位置的空间三维坐标。这种技术非常适合路线、桥、隧勘察。它可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。
第四 GPS测量可以极大地降低劳动作业强度，减少野外砍伐工作量，提高作业效率。一般GPS测量作业效率为常规测量方法的3倍以上。
第五 GPS高精度高程测量同高精度的平面测量一样，是GPS测量应用的重要领域。特别是在当前高等级公路逐渐向山岭重丘区发展的形势下，往往由于这些地区地形条件的限制，实施常规的几何水准测量有困难，GPS高程测量无疑是一种有效的手段。
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以下是我用MapSource软件对GPS所测量到的西南林学院温泉校区的数据进行的部分编辑和分析。
1.西南林学院温泉校区： 大门è山脚 因高障碍物（高山）而产生的在同一路线但出现多条路线的情况，在GPS里我们叫这种情况为 误差. 如下列图：
(图1)
（图2）
（图3）
但为了更准确的标出路线，我们必须解决 误差 这种情况，方法是：算平均误差。
首先：分别把所产生的三条路线的长度测量出来，然后用以下公式进行连续计算：
公式：1.求平均值：（A1+A2+A3+A4……+An）/N= Ā
2.求平均误差：∣(A1-Ā) ∣ + ∣(A2-Ā) ∣ +∣(A3-Ā) ∣+∣(A4-Ā) ∣ ……+∣（An-Ā）∣/ N
3.求方均根误差： 
N
1. 平均值: 806(米)
2. 平均误差: 7.5(米)
3. 方均根误差: ≈3.1918(米)
2．西南林学院温泉校区： 大门è山脚的坡长,坡度，山头高度。如图（4）
（图4）
大门è山脚：
1.坡长：806(米) 为平均值。
2.坡度：≈0.063
3.山头高度：1872.8(米)绝对高度，51(米)相对高度。
3.西南林学院温泉校区：平均海拔（图5）和（图6）
（图5）
海拔
（图6）
我们把GPS所测量到的每一个点的海拔（除房屋）相加，然后计算出的平均海拔.
平均海拔：≈1859.8(米)
4.西南林学院温泉校区：教学的楼的 长，宽，高，面积。（如图7）
长度：约64(m)
(图7.1)
宽度：8(m)
(图7.2)
相对高度：21（m）
(图7.3)
1. 教学楼长：约64米.
2. 教学楼宽：8米.
3. 教学楼（相对）高：21米.
4. 教学楼面积：约512平方米.
(这次测量是以GPS为基础，以实际大小有一定误差)。
5.西南林学院温泉校区：球场周长，面积，中心点误差，中心点经纬度和球场海拔。（如图8）
面积：917sqm
周长：122m
中心点
（图8）
1. 球场周长：122米
2. 球场面积：917平方米
3. 球场中心点误差：≈0.2米（用GPS在球场中心点多次取值）
4. 球场中心点经度和纬度：N 24 58.987 E 102 26.608
5. 球场平均海拔：≈1867.3米
6.下图是实地用GPS卫星定位系统所截图片:它表示当时测量者正以西南林学院温泉校区的篮球场的中心为原点让所显示卫星排列次序图。
（图9）
列：在某一时刻当卫星运转在同一角度时会出现较大误差，在测量是也应避免次现象。当卫星运行角度不一致时（形成“品”字形状），卫星的定位将较为准确。
1、坐标
描述你的位置的一组数值，一般有纬度（北或南）和经度（东或西）。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道（北或南）和本初子午线（东或西）的距离.另外一个坐标系MGPS（Military
Grid ReferenceSystem）也基于UTM，但是把UTM坐标分隔得更细了，它只用在军用的GPS接收器上。
2、2维和3维坐标
你的平面位置，例如经度和纬度，称做2维坐标， 至少需要3颗GPS卫星的数据来定位2维坐标。如果因为树木、山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到2维坐标。
纬度、经度和速度称为3维坐标， 确定它需要至少4颗卫星。几乎所有GPS接收器都以提供3维坐标做为标准。
3、路旁标记和航路点
你可以把一个位置存储为一个路旁标记（landmark） 或航路点（waypoint）。它可以是你途中定位的一个位置，也可能是你输入的一个坐标或其他位置， 例如目的地。GPS设备会给它一个名称，例如LMKOZ，你也可以用一个容易记住的名称重新命名。
4、位置
当你的接收器根据GPS卫星的信息标出了你的坐标后，它会确定你的位置。 许多GPS设备允许你选择标记或存储你的现在位置做为路旁标记或航路点。一些甚至允许你为位置命名或添加一个图标。
5、路线
路线包括开始位置和目的地， 同时也有途径的地点。一条路线上的两点之间称为航段。一条路线可由一个或若干个航段组成。如果你徒步旅行，你可以输入一条路线， 其中包括方向、计划休息的地点或宿营地，还有你的目的地。有一些GPS设备允许你反向跟踪路线或设置逆向路线。路线主要有两种用途：
1）如果你去探险或旅行，你可以从高速路地图或一些地图软件中获取地点的坐标。这在以后的旅行中很有用。一些GPS接收器允许在计算机上设计你的旅线，然后把它载入你的GPS接收器；
2）如果你拿着GPS接收器旅行时记录下你走过的地点,回家后可以复制或者下载你的路线并且找出最有价值的景点的位置，或者最适合钓鱼的地点，或者你看见一只珍稀小鸟的地点，或者你在恶劣天气藏身的岩洞位置。如果有队员受伤了，救援队就可以根据确切的坐标找到伤员所在的地方。搜索救援人员可以下载完整的路线来知道探险队所在的位置。
6、高度
如果有足够的GPS卫星可见，一些GPS设备可提供高度信息（海拔）。由于GPS系统本身的特点，高度不如平面坐标那么精确。
7、航向
这是反映沿水平方向GPS接收器移动的方向， 并不需要你把GPS接收器确切地指向这个方向。在你移动时可以看到这个值，航向的值是按0～359度顺时针方向分布的，和指南针的值相对应。
8、方位角
如果你选定了一个路旁标志或航路点， 想知道从你现在所处位置到它的方向，你就需要知道方位角。
(1)差分GPS定位技术与应用(全国高技术重点图书.通信技术领域) 王广运等 北京电子工业出版社 1996.
(2)信息融合理论在惯性/天文/GPS组合导航系统中的应用 申功勋、孙建峰 国防工业出版社 1998.
(3)GPS全球定位系统及其应用 钱天爵,瞿学林 北京海潮出版社 1993.
(4)GPS全球定位系统技术及其应用 洪大永 厦门大学出版社 1998
(5)GPS测量原理及应用(3S丛书) 徐绍铨等 武汉武汉测绘科技大学出版社 1998
(6)GPS测地研究与应用文集 王广运等 北京测绘出版社 1992.
(7)GPS卫星定位的应用与数据处理 金国雄 上海同济大学出版社 1994.
(8)全球定位系统（GPS）的原理与数据处理 刘大杰、施一民、过静君 上海同济大学出版社 1996.
(9)世界GPS接收机手册=World's GPS receiver handbook 邓中卫主编 北京航空工业出版社 1994
(10)《全球定位系统(GPS)原理与应用》 袁安存 大连海事大学出版社 1999.
(11)信息融合理论在惯性/天文/GPS组合导航系统中的应用 申功勋、孙建峰 国防工业出版社 1998.
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