时地由GPS卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原理，其定位原理与方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分GPS定位等。对于待定点来说，根据其运动状态可以将GPS定位分为静态定位和动态定位。静态定位指的是对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。若以两台GPS接收机分别置于两个固定不变的待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。而动态定位至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位（绝对点位或相对点位）。
利用接收到的卫星信号（测距码）或载波相位，均可进行静态定位。在实际应用中，为了减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响，常采用载波相位观测值的各种线性组合（即分差值）作为观测值，获得两点之间高精度的GPS基线向量（即坐标差）。
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第3章 GPS控制网的优化设计 3.1 GPS网的简介
GPS设计与施测的依据主要是测量任务书和GPS测量规范。由于GPS测量属于一门新型的正在发展的技术方法，因此规范中某些条款在执行过程中可以商榷。但是，GPS测量规范仍旧是我们进行GPS测量的主要技术标准，应按照GPS测量规范的统一标准，进行GPS网的设计和制定外业工作方案。
（1）GPS网的构网特点
GPS网的设计需要考虑诸多因素，其核心是如何高质量低成本完成既定的测量任务。GPS网的设计包括网形构造、精度、基准等方面的设计。此外，对于外业工作具体实施，还应考虑观测时段、时间、测站位置的选择，接收机的类型及数量，交通后勤等因素。
目前的GPS控制测量，基本上都是采用相对定位的测量方法。这就需要两台以及两台以上的GPS接收机在相同时间段内同时连续跟踪相同的卫星组，即实施所谓同步观测。同步观测时各GPS点组成的图形成为同步图形。
不同台数GPS接收机同步观测一个时段，便组成以下各种同步图形结构，如图3-1所示。总之，当T台接收机同步观测获得的同步图形由n条基线构成，其中n为
n=T(T-1)/2 （3-1）
a.2台接收机 b.3台接收机 c.4台接收机 d.5台接收机 图3-1 同步图形示例
同步图形构成GPS网的基本图形。而在组成同步图形的n条基线中，只要（T-1）条是独立基线，其余基线均为非独立基线，可有独立基线推算得到。由此，也就在同步图形中形成了若干坐标闭合差条件，称为同步图形闭合差。由于同步图形是在相同的时间观测相同的卫星所获得的基线解构成的，基线之间是相关的观测量。因此，同步图形闭合差不能作为衡量精度的指标，但它可以反应野外观测质量和条件的好坏。
在GPS测量中，与同步图形相对应的，还有非同步图形或称为异步图形，即由不同时段的基线构成的图形。由异步图形形成的坐标闭合差条件称为异步图形闭合差。
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当某条基线被两个或多个时段观测时，就形成了重复基线坐标闭合差条件。异步图形闭合条件和重复基线坐标闭合条件是衡量精度、检验粗差和系统差的重要指标。
（2）GPS控制网的构网方式
GPS网是由同步图形作为基本图形扩展延伸得到的，当采用不同的连接方式时，网形结构随之会有不同的形状。GPS网的布设就是如何将各同步图形合理的衔接成一个有机的整体，使之达到精度高，可靠性强，且作业量和作业经费少的要求。GPS网的布设按网的构成形式分为：星形网、点连式网、边连式网、网连式网。按其作业方式可分为：同步作业方式网、基准站同步作业方式网、快速定位作业方式。下面我按照布网的形状，逐一讨论各种构网方式的优劣。
1）星形网
星形网的图形如图3-2所示。这种网在作业中只需要两台GPS接收机，作业简单，是一种快速定位作业方式，常用在快速静态定位和准动态定位中。但由于各基线之间不构成任何闭合图形，所以其抗粗差的能力非常差。一般只用在工程测量、边界测量、
地籍测量和碎部测量等一些精度要求较低的测量中。
2）点连式网
图3-2 星形网图形 所谓点连式网，就是相邻同步图形间仅由一个公共点连接成的网，其网形如图3-3所示。
任一个由m个点组成的网，由T台接收机观测，则完成该网至少要n个同步图形：
? （3-2） n?1?INT??m?T?T?1???? 例如，当m=30时，采用3、4、5台接收机最少同步图形分别为14、9、7。网的必要观测基线数为m-1，而网中n个同步图形总共由n*(T-1)条独立基线。
图3-3 点连式GPS网
显然，以这种方式布网，没有或仅有少量的异步图形闭合条件。因此，所构成的图形抗粗差能力仍不强，特别是粗差定位能力差，网的几个强度也较若。在这种网的
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布设中，可以在n个同步图形的基础上，再加测几个时段，增加网的异步图形闭合条件的个数，从而提高网的几何强度，使网的可靠性得到改善。
3）边连式网
边连式布网方法是指相邻同步图形之间通过2个公共点相连，即同步图形由1条公共基线连接。
任一个由m个点构成的网，若用T台（T≥3）接收机采用边连式布网方法进行观测，则完成该测量任务的最少同步图形个数n为
? （T≥3） （3-3） n?1?INT??m?T??T?2?????相应观测获得的总基线数为 n*(T-1)*T/2
其中独立基线数为n*(T-1)，而网的多余观测基线数为n*(T-1)-（m-1）。边连式构网图形如图3-4所示。
图3-4 边连式网
比较边连式与点连式布网方法，可以看出，采用边连式布网方法有较多的非同步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此，用边连式布网方式布设的GPS网的几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。
4）网连式网
所谓网连式布网方法，是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接，相邻同步图形之间存在互相重叠的部分，即某一同步图形的一部分是另一同步图形中的一部分。
这种布网方式通常需要4台或更多台的GPS接收机，这样密集的布网方法，其几何强度和可靠性指标是相当高的，但其观测工作量以及作业经费均较高，仅适用于网点精度要求较高的测量任务。
3.2 GPS控制网网形设计的一般原则
由各种构网方式可以看出，在GPS作业前，应设计出一种比较实用的既能满足一定精度和可靠性要求、又有较高精度指标的布网作业计划，这就是GPS网的优化设计问题，因而网形设计的一般原则为：
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（1）要充分考虑建立GPS控制网的应用范围。对于工程建设的GPS网，应该即考虑勘测设计阶段的需要，又要考虑施工放样等阶段的需要。对于城市GPS控制，既要考虑近期建设和规划的需要；又要考虑远期发展的需要。还可以根据具体情况扩展GPS控制网的功能。例如，因为GPS测量具有高精度和不要求通视的优点，有的城市已经考虑将城市GPS网建立成为兼有监测三维形变功能的控制网。这样既可以为城市建设提供发现隐患、预防灾害的极有价值的信息，也有利于充分发挥GPS网和测绘工作在城市建设中的应用。
（2）采用分级布网方案。适当地分级布设GPS网，有利于根据测区的近期需要和远期发展分阶段布设，而且可以使全网的结构呈长短边相结合的形式。与全国均由短边构成的全面网相比，可以减少网的边缘处误差的积累，也便于GPS网的数据处理和成果检核分阶段进行。分级布网是建立常规测量控制网的基本手法，因为GPS测量有许多优越性，所以并不要求GPS网按常规控制网分很多等级布设。例如，大城市的GPS控制网可以分为三级：首级网中相邻点的平均距离大于5km；次级网中相邻点平均距离为1-5km；三级网相邻点平均距离可小于1km，且可采用GPS与全站仪相结合的方法布设。对于小城市，分两级布设GPS网即可。为提高GPS网的可靠性，各级GPS网必须布设成由独立的GPS基线向量边（或简称为GPS边）构成的闭合图形网，闭合图形可以是三边形、四边形或多变形，也可以包含一些符合路线，GPS网中不允许存在支线。GPS网的网形设计的有关问题将在下节中讨论。
（3）GPS网中应不存在自由基线。所谓自由基线是指不构成闭合图形的基线，由于自由基线不具备发现粗差的能力，因而必须避免出现，也就是GPS网一般应通过独立基线构成闭合图形。
（4）GPS网中的闭合条件中基线数不可过多。网中各点最好有3条或更多基线分支，以保证检核条件，提高网的可靠性，使网的精度、可靠性均匀。
（5）GPS网应以“每个点至少独立设站观测两次”的原则布网。这样不同接收机数测量构成的网之精度和可靠性指标比较接近。
（6）为了实现GPS网与地面网之间的坐标转换，GPS网至少应与地面网有2个重合点。研究和实践表明，应有3-5个精度较高、分布均匀的地面点作为GPS网的一部分，以便GPS成果较好的转换至地面网中。同时，还应与相当数量的地面水准点重合，以提供大地水准面的研究资料，进行GPS大地高向正常高的转换。
（7）为了便于观测，GPS点应选择交通便利、视野开阔、容易到达的地方。尽管GPS网的观测不需要考虑通视的问题，但是为了便于用经典方法扩展，至少应与网中另一个点通视。
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