基于卫星定位技术的几种测量方式在实际应用中的分析与比较
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摘要：卫星定位技术在当今测绘已无处不在，平面控制测量需要用到GPS静态测量模式，GPS动态测量模式则主要应用于工程测量、大比例尺数字化测图等领域。连续运行参考站CORS是近年来发展起来的区域性GPS处理系统，它让测绘工作变的高效便捷，极大地提高了测绘的经济效益和社会效益。随着测绘技术的更新发展，GPS将应用在更多的测绘领域。
关键字：GPS 差分GPS RTK 连续运行参考站（CORS） 广域差分GPS（WADGPS）
全球定位系统GPS（Global position System）在现代测绘中广泛应用，GPS已成为建立维持全球性参考框架的重要手段。GPS定位技术具有精度高、速度快、费用省，全天候、操作简便，控制点间无需保持通视等的优点，因而已基本取代传统方法而成为建立各级平面控制网的主要手段。GPS静态测量与动态测量是实际应用中两种主要的测量模式。
一、GPS静态测量模式
控制测量中常用GPS求解平面坐标成果，静态定位测量一般是两台或两台以上的GPS接受机在相同的时段里同时观测，求得观测点在WGS84下的大地坐标，点与点之间构成同步基线或异步基线。基线网把所有的观测点用边长固定下来，每个观测点的相对位置基本固定，控制网由基线网构成，联测控制网周边已知的测量控制点（国家等级的三角点）经坐标转换，将GPS观测的原始WGS84坐标数据，转换为用户需要的格网坐标。GPS静态测量的具体过程有以下几步：
1. 基线向量提取 进行GPS网平差，首先提取基线向量，构建GPS向量网，在提取基线向量时需要遵循以下原则：必须选取相对独立的基线；所选取的基线应构成闭合的几何图形；选取质量好的基线向量；选取能构成边数较少的异步环的基线向量；选取边长较短的基线向量。
2. 三维无约束平差 根据无约束平差结果，剔除GPS网中的粗差基线，调整各基线向量观测值的权数，使得它们相互匹配。
3. 约束平差和联合平差 指定进行平差的基准和坐标系统，指定起算数据，检验约束条件的质量，最后进行平差计算。
实际测量工作中有时会出现这样的情况，GPS静态测量求解的平面坐标，相互通视的俩点在用全站仪检测时会发现平面坐标超限。以公路带状图测绘为例，全站仪测图，解算平面坐标基于导线测量的原则，由已知测站点和定向点反算坐标方位角，然后求出坐标增量，加上已知点的坐标，算出定向点的坐标数据。GPS求解的平面坐标点与点之间有固定基线，边长不会有较大误差，但基线边的坐标方位角有可能与导线测量中反算的坐标方位角有偏差，这样就出现了上面提到的问题。GPS测量在约束平差引入已知点的精度以及GPS网形等因数，会导致出现平面坐标与全站仪检测不符，工程测量中用全站仪放样、放线,常用的已知点坐标成果大都是由GPS解算求得，比较小的误差一般可以控制在几个厘米以内，基线边布设成附合导线形式可能会消除上述误差。公路测量中的埋石点按带状分布，一般常用全站仪检测来验算GPS平面坐标成果的正确性。通视的埋石点可以得到检算，不通视的控制点则无法利用全站仪放样施测，而GPS动态测量可以弥补这一不足。
二、GPS动态测量模式
1． 单基站差分GPS（代表技术RTK）
影响GPS的误差主要有卫星星历误差，大气延迟和卫星钟的误差，这些误差总体上有较好的空间相关性，两个GPS接受机站在同一时间分别进行定位观测时，上述误差对两测站的影响大体相同，在已知点上架设的接受机（RTK基准站）观测结果与已知点坐标成果比较便求得坐标改正数，基准站通过无线电台将求得的误差改正数及时发送给附近工作的用户（RTK流动站），那么，用户加上改正数后，定位精度大幅度提高，这就是差分GPS的工作原理。单基站差分GPS就是只根据一个基准站提供的差分改正信息进行改正的差分GPS技术，基准站架设在已知坐标点上，基站地质条件良好，点位稳定，视野开阔，周围无高度角超过10°的障碍物，以保证观测能顺利进行。基于差分GPS定位原理的RTK（real-time kinematic）技术，即实时动态差分。以Trimble GPS为例，架设好基准站后，输入测站点的两套坐标数据，用布设在测区的控制点，作点校正，直到满足限差要求。基准站通过电台以一定频率发送坐标改正数据，流动站接受改正数据后，实时测量出用户所需要的格网坐标。一台基准站可以配载一台或多台流动站作业。RTK在工程测量，大比例尺数字化测图等方面，都有成功运用。RTK能提供厘米级的测绘精度，高程精度也能满足要求。但RTK基准站电台信号覆盖范围有限，基准站需不断更换，流动站遇有山体遮挡，树林、高层建筑等影响接受无线电信号的地方，无法作业。
2..局部区域的差分GPS（代表技术连续运行参考站CORS）
为了满足某一城市或地区的多用途而建立的永久性差分GPS系统，即局部区域的差分GPS。连续运行参考站CORS可以定义为一个或若干个固定的，连续运行的GPS参考站，利用现代计算机数据通信和互联网（LAN/WAN）技术组成的网络，实时地向不同类型，不同需求的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值（载波相位，伪距）、各种改正数、状态信息以及其他有关GPS的服务项目。以呼和浩特市的CORS站为例，该系统已经实现呼市地区全覆盖，在和林格尔基础测绘任务中，补测新增地物用到中海达Q5手持GPS接受机，接受呼市CORS站发出的改正数据，数据由无线电通信网络发送，接受机内有SIM卡插槽，将手机SIM卡插入接收机中，就可以不间断接收由CORS站发出的差分改正数据，经采集已知控制点的坐标对比，平面精度小于1米，高程精度小于2米，能满足1：1万地形图的需要。CORS系统的基站能够代替RTK测量中的基站，施测信号范围则远大于RTK基站的范围，随着CORS基站的建设和连续运行，就形成了一个以永久基站为控制点的网络，CORS站全年365天，全天24小时连续不间断运行，全面取代常规大地测量控制网，经济效益和社会效益显著。CORS基站将是城市信息化的重要组成部分，建立测绘全自动，全天候，全时域的连续测量体系是测绘行业发展的趋势，建设基于卫星定位技术的三维实时动态测绘参考基准和成果体系，将为数字城市地理空间基础框架的建设奠定基础。
3. 广域差分GPS（WADGPS）
当差分GPS需要覆盖很大的区域时，而且区域内没有建成CORS站系统，这时，广域差分GPS就有实际用途。WADGPS技术是主要是以应对美国军方实施的有意降低GPS民用精度的选择可用性（SA）政策为背景的一种大范围差分GPS技术。近年来，广域差分GPS技术已发展成为GPS的主要应用之一，如美国联邦航空局的广域增强系统（WAAS）、欧洲地球静止卫星导航重叠服务（EGNOSS），以及一些经营性公司等建立了不同形式的广域差分GPS系统。
WADGPS技术原理是对GPS观测量的误差源分别加以区分和“模型化”,然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值(差分值)通过数据通讯链传输给用户,对用户在GPS定位中的误差加以修正,以达到削弱这些误差源和改善用户GPS定位精度的目的.这种方法不仅削弱了区域差分GPS技术中基准站和用户站之间定位误差对时空的相关性,而且又保持了差分GPS的定位精度.广域差分GPS相比局域差分GPS具有精度均匀，覆盖面广等技术特点。定位精度与用户到参考站的距离无关，克服了局域差分GPS中用户定位精度随用户到参考站的距离增大而衰减的缺点。广域差分GPS系统主站链路采用卫星广播的形式，因此在WADGPS系统中,用户的作业范围在原则上是没有限制的。托普康GMS-2和中海达Q5系列手持GPS接收机，都具有WADGPS专业功能，用户在测绘作业时需采集控制区域的已知点坐标，经坐标转换，可得到精度在1米左右的观测数据，以镶黄旗的基础测绘为例，由于当地没有建成CORS系统，利用广域差分GPS技术，同样满足测绘精度要求，但WADGPS高程精度较弱，只能作为参考。
参考文献：
[1] 李征航 黄颈松《GPS测量与数据处理》.武汉大学出版社,2005
[2] 刘经南 刘晖 连续运行卫星定位服务系统――城市空间数据的基础设施.武汉大学学报(信息科学版),2003
[3] 刘经南 陈俊勇 张燕平 李毓麟 葛茂荣.《广域差分GPS原理和方法》.测绘出版社,1999
作者简介: 王志明，工程师，从1995年至今,在内蒙古航空遥感测绘院工作，主要从事航测外业工作。