gps发展现状
目前，以GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加，GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个IT经济新增长点。
1主要应用领域
(1)民用领域
在定位导航方面，GPS的使用对象主要是汽车、船舶和飞机等运动物体。例如船舶远洋导航和进港引水，飞机航路引导和进场降落，汽车自主导航定位，地面车辆跟踪和城市智能交通管理等。此外，对于警察、消防及医疗等部门的紧急救援、追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等，GPS都具有得天独厚的优势。在日常生活中，GPS还可用于人身受到攻击危险时的报警，特殊病人、少年儿童的监护与救助，生活中遇到各种困难时的求助等。使用时只需按动带有移动位置服务的GPS手机按钮，警务监控中心和急救中心在几秒钟内便可获知报警人的位置并提供及时的救助。
目前国际上具有代表性的GPS公司，主推测量仪器的有天宝公司、徕卡公司、诺华达公司和佳瓦特公司等，主推导航设备和GPS OEM板的有高明公司、麦哲伦公司、摩托罗拉公司、洛克韦尔公司和瑟孚科技公司等。
(2)军事领域
在军事领域，GPS也已从当初的为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、连续实时、高精度的定位导航，扩展到成为目前精确制导武器复合制导的一种重要技术手段。其工作原理是利用弹上安装的GPS接收机接收4颗以上导航卫星播发的信号来修正导弹的飞行路线，提高制导精度。区别于误差较大、精度较低的民用标准定位服务，军方使用的是精密定位服务。资料显示，未配置GPS制导系统之前，美军的“战斧”(BGM－109C)巡航导弹的圆概率误差约为9米，在其惯性＋地形匹配制导系统中加入GPS后，圆概率误差降至3米，制导精度大大提高。
2全球GPS产业的结构与现状
GPS开始进入民用之后，使用者终端的GPS产品便成了当前GPS主要的市场内容。一般来说，GPS的使用者终端主要是指各种用途的GPS接收机，例如用于航空和航海的接收机、汽车导航设备、用于登山和休闲的手持式接收机等类型的终端产品，而一般手持式GPS产品的组成部分，就如同移动电话或个人数字助理(PDA)的结构一样，也包括了内部的天线、芯片组和电池等，以及外部的按键和LCD面板等相关零组件。目前全球GPS相关厂商的产品中又以GPS应用产品与内部的专用芯片组发展最受关注。
截至去年，全球约有十余家生产GPS专用芯片的制造商，除了少数几家是以GPS芯片为主要产
品的制造商，如瑟孚科技公司，其它则多为以通信芯片为主的制造商，如飞利浦、摩托罗拉和科胜讯等。据估计，到2006年GPS芯片的全球市场值将达50亿美元。
从上世纪80年代初期第一个GPS商用产品出现至今，GPS产品重量从100磅(约为45千克)降为100克，而价格也从十几万美元降为现在的几百美元。目前全球GPS应用产品的制造商已超过30家以上，主要领导厂商有高明国际公司、麦哲伦公司和天宝导航有限公司等。
天宝公司以生产系统端的GPS产品为主，从军用空军流量控制系统到航空用雷达系统皆在其营运范围之内。近年来，该公司进一步结合了无线通信的定位技术，例如与英飞凌公司合作开发用于无线通信系统端的First GPS架构与M－loc模块，以期在无线定位设备市场中抢占先机。
3全球GPS市场状况
随着应用范围的扩展，GPS产品也逐渐成为全球无线通信终端市场一项重要的产品，推动GPS产品市场高度成长的主要因素是汽车导航系统和结合无线通信的GPS产品的普及化。根据市场研究公司ABI的报告，2001年，这两类产品在GPS应用产品市场的比率合计约为38.7％，到了2005年则将成长至53.6％，其它产品，如航空、航海、测量和农业等合起来仅占46.4％。
不论是汽车导航系统或是GPS的通信应用产品，主要的区域市场都是在美、欧、日等三个地区。以汽车导航系统为例，由于电子地图与消费电子技术的高度发展，再加上智能型运输系统的成熟，使得日本成为目前全球汽车导航系统普及率与市场值最高的国家。2000年日本的汽车导航系统销售值约为670万美元，占全球市场的77.9％，而欧洲与北美分别仅占13.9％与6.9％。不过2004年后，随着汽车导航系统的日渐普及，欧洲与北美的市场将成长至710万美元与590万美元，各占市场比例的27％与22.5％，而日本市场则因为普及率高使成长率逐渐趋缓。
目前已经推出整合无线通信与GPS解决方案的厂商有快速跟踪公司(SnapTrack)、瑟孚科技、天宝公司等，其中，又以快速跟踪公司与瑟孚科技两家发展较为积极，且已有移动通信运营者或手机制造厂即将采用这两家公司的解决方案。
成立于1995年的快速跟踪公司是美国通信大厂高通公司的子公司，自成立以来即以GPS应用于无线通信的技术为发展重点，目前快速跟踪公司与高通公司合作采用结合手机端与系统端的混合式解决方案作为无线定位服务之用，在手机端部分，由内建于手机中的高通公司MSM3300芯片组将GPS专用的LNA、SAW、LC Filter以及GPS One处理器等组件整合在一起，让手机得以具备接收卫星定位信号之功能，另一方面，则在系统端加装快速跟踪公司的MMASIC芯片组接收GPS信号，再由系统端发射定位信号至手机端，以解决多路信号衰减的问题。目前与该公司有合作关系的公司包括摩托罗拉、日本NEC、日本电信电话移动通信网公司(NTT DoCoMo)和美国得州仪器公司等。
瑟孚科技公司无线定位技术的解决方案与快速跟踪公司相似，也就是将其SiRFLoc架构装设在无线网络系统端，让无线基地台可以接收与传送卫星定位资料，另一方面则是将其SiRFstar芯片组嵌入手机的基频上，或是采用IP整合的方式将GPS接收机与手机芯片组整合为一。目前瑟孚科技公司在无线通信领域主要的合作伙伴有日本电信电话移动通信网公司、爱立信、诺基亚和信号软件公司等。
虽然具有GPS定位功能的手机市场潜力颇为看好，就现阶段而言仍有几项障碍亟待克服：首先，不论手机采用的是内建GPS芯片或是用外接GPS模块作为解决方案，将无可避免地提高手机成本，也影响消费者购买的意愿；其次，GPS组件运作时将会大幅提高手机的耗电量；最后，目前具有提供整合GPS芯片与无线通信技术的公司仍屈指可数，且手机制造大厂是否愿意采用现有的解决方案，或是另外自行开发仍是未定之数。
通过近20年的发展，GPS产品已逐渐转变为消费电子产品，且所能应用的范围已扩展到日常生活中的通信、PDA、定位信息等。不过，以现阶段来看，由于GPS接收机的单芯片化技术、价格以及市场应用服务等仍未臻成熟，因此，在乐观地看待此市场发展时，诸如GPS IC设计的技术是否能达到手机或PDA所需的最小体积与耗电量、成本是否能降低以及内建GPS的新手机是否能引起消费者的青睐等问题，仍必须审慎地深入评估。
4全球GPS市场预测
根据估计，目前世界上有超过100家的公司正在研制各种各样的GPS用户接收机。大批量的OEM板接收机的价格将从1995年标准定位服务接收机的每片150美元降低到2003年的50美元左右。随着接收机价格的下降，GPS市场将会像PC机市场那样呈指数增长的趋势。
目前，GPS市场呈现两种趋势：一是硬件价格以每年30％的速度持续下降；二是用户的各类应用软件不断增加。这也是为什么消费类GPS产品的价格下降得如此之快而功能众多的商用和专用GPS设备仍保持在相当高的水平上的原因。特别是在商用GPS市场中，各种各样的软件快速发展，数量不断增加，这些都是GPS产品产量激增的根本动力。在消费类GPS产品市场中，软件不是影响成本的主要原因，因而硬件价格不断下降，是零售GPS产品的价格不断降低的原因。2001年，美国国家公共管理研究院所进行的调查表明，全球每年的GPS市场已达到120亿美元。随着单元价格降至100美元以下，GPS将大量走向民用。
市场研究公司ABI最近的研究显示，2008年全球GPS市场总值将达220亿美元。ABI公司认为：GPS将在汽车中得到广泛应用，包括汽车使用情况跟踪和州际卡车公司自动缴费等。ABI的研究表明，到2003年底，汽车和物流将成为GPS市场收入的重要来源，占50％以上的份额，而且这种趋势到2008年还将加剧。进一步研究发现，人员定位和手机应用的增长比率最高，明显高过整体市场12％的增长率。另外，GPS市场增长也将带动相关芯片的发展，用于GPS的芯片将会在最近几年保持强劲增长，并且承受的价格压力将会比其他半导体产品更加温和。
二、我国卫星导航应用的市场现状与发展趋势
1市场发展现状
GPS卫星导航定位技术于上世纪80年代末引入中国，目前主要在大地测量(测绘、勘探)、海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用。在全球GPS应用领域中，车辆应用所占的比重最大，目前约占总数的40％以上。1996～1997年间是GPS车辆跟踪系统市场的调整和充实时期。主要是公安、金融等部门利用其专用的常规无线电台(异频单工电台)通信系统和模拟集群系统，在全国三四十个城市建成了金融运钞车和公安交警车辆跟踪系统。1998～2000年GPS车
辆跟踪系统市场出现了快速增长的势头。随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络通过采用GSM公众网的短信息服务找到了新的出路，这对GPS车辆跟踪系统的发展起着极大的促进作用。
我国现在拥有世界上最大潜力的卫星导航应用市场。经过十多年的发展，我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟，批量化用户群体正在逐步形成，已进入应用行业高速发展的时期。美国联邦通信委员会规定，到2005年美国95％的用户手机必须配有定位能力，2003年底前，95％的新手机有定位能力。而移动电话与GPS结合是最好的解决办法。目前，国际上一些主流手机制造商如诺基亚、爱立信和三星等已开始使用集成的GPS芯片，而日本的日本电信电话移动通信网公司、KDDI和美国的Sprint、Verizon、网信公司等电信运营商也已开始或计划提供基于GPS手机的位置服务。
随着我国经济的不断发展，特别是在加入WTO之后，完全可以相信，具有定位功能的GPS移动电话在中国将会有巨大的市场发展潜力，几年之后将超越车辆应用，成为GPS应用最大的领域。“联通无限”其中有一个功能是“定位之星”，它基于GPS One，可提供目前移动通信领域精度最高、最直观的位置服务，取代短信获取位置信息的方式，用户通过手机或网上地图可实现精确到5米的定位。有了这个功能，从交警维持交通安全、公安破案、物流的传输到出租司机及时地掌握交通情况，甚至孩子迷失或家人晚归，都可以利用GPS One提供的正确位置信息，获得其所在位置，极大地提高工作效率，为生活带来便捷。
“定位之星”通过卫星传输信息，并经过中国联通GPS One服务器，发送到用户手机上。一旦将GPS与无线通信和互联网结合起来，消费市场更将蓬勃发展。特别是便宜实用、能进入家庭以及与个人关系密切的商品在中国将会有市场，并大有可为。这方面的典型应用不少，如PDA、个人定位产品(如寻人器、引路仪、急救报警等)以及贵重物品追踪器和气象探空仪等。
2GPS在中国的发展趋势
国内GPS市场呈现出两个重点发展趋势。
(1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统。
在GPS应用领域，车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪和车辆导航两大系统。但当摩托罗拉公司推出集车辆导航与跟踪于一体的车辆信息系统后，它就成了发展的方向。
GPS车辆定位监控系统主要有自导航应用和中心监控两种方式。车辆监控系统是集GPS技术、无线通信技术和地理信息系统技术于一体的综合车辆管理系统。一般行业用户的车船队监控都采用中心监控方式，系统由监控中心、位于监控中心的主站和安装在移动车辆上的子站等3部分构成。系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往控制中心。控制中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。
以车辆防盗为例，一般分为静态车辆防盗与动态车辆追踪两种。前者是指车主离开汽车，停泊的车辆遭遇偷盗、毁坏和移动时，车辆通过自身的监控系统向GPS监控中心发出警报，并自动与车主手机联系、电话报警等。后者则可对行驶中的被盗车辆进行定位跟踪、车况监听、车迹记录，甚至控制车辆断电和断油等。
(2)面向个人消费者的GPS终端产品。
芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素，使GPS产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。
移动监控终端是移动目标监控系统的关键部分。有用于集装箱等货物、车辆的跟踪等领域的隐蔽式安装产品，也有多功能的综合车载平台。但随着产品成本的降低与体积的微型化，市场上已出现供儿童、老人、病人甚至宠物等特殊群体使用的手表类、寻人仪和儿童玩具型GPS产品。它们可佩带在身上，嵌入老人的拐棍中，甚至植入体内。
与上述产品相比，各种个人消费类GPS电子产品则更加接近人们的生活。有集成了GPS芯片和地理信息系统数字地图的移动通信手机、GPS手持机、GPS手表，甚至GPS相机等，也有基于掌上电脑和笔记本电脑等移动设备的插卡(CF卡式GPS接收机)式、外接(GPS接收机)式等集成产品。目前国内市场上多见的是高明公司、麦哲伦公司、Navman等外国公司品牌的GPS手持机和汽车导航仪等。
3中国的GPS市场预测
在我国，GPS已经成为地基无线电跟踪与测量系统的一种补充手段，但它在导航和航天测控领域的应用潜力却令人瞩目。例如，我国的导弹和航天测控系统用户可根据所需测量精度、目标大小及动态特性的要求，选择导弹/航天器，装载GPS转发机或GPS接收及测量系统，以完成各类导弹、卫星、飞机和炮弹，以及低空长弧段飞行目标等各种飞行体，甚至多个目标的精确跟踪和定位。GPS亦可为一切航天器(卫星、飞船等)精确定轨、定姿，定轨精度可达厘米级；也可为载人航天器实时入轨和返回提供判断信息；还可为航天器的交会对接，提供高精度的相对位置、速度和姿态信息。此外，GPS可为一切用户提供高精度的时间与频率基准。十多年来，GPS在中国的应用发展势头迅猛，已从少数科研单位和军事部门迅速扩展到各个民用领域。伴随着GPS技术应用日趋广泛，国内GPS用户正越来越多。随着我国GPS市场的逐渐开发，市场容量会越来越大。GPS作为一种发展起来的高新产业，必将充满着无限的商机。
值得指出的是，2002年2月，国家计委发出了关于组织实施《卫星导航应用产业化专项的公告》，其目标在于“十五”末期，形成一个市场规模超过百亿元的新产业，实现我国从卫星导航应用大国向应用强国的根本性转变，初步达到卫星导航应用产业化。要在生产制造卫星导航应用基础产品的规模和数量上进入世界前列，接收机主板总产量超过100万套，行业总产值超过100亿元(约占世界市场份额的4％)，其中导航运营服务产值超过20亿元。在基础产品上，芯片组与主机板等，从全部进口转变为自主产品达到60％以上，产品出口占国产总量的10％，具有自主知识产权的芯片组、嵌入式软件及专用数据产品的信息服务产品将批量投放市场。通过卫星导航应用示
范工程和基础设施的建设，推动卫星导航应用设备及其扩展系统在国民经济诸多部门和人民大众日常生活中的广泛应用，以期产生明显的经济和社会效益。
以GPS导航和地图数据匹配技术为基础的汽车电子导航产品开始进入市场，成为GPS最大的消费市场，从一个侧面也带动了导航电子地图数据生产和经销行业的发展。
据业内专家预测，GPS车辆自主导航系统的市场需求，根据我国未来五年轿车产量估算，从2001年至2006年的起步阶段，出厂原装的市场销量累计将有可能达到37万套。售后选配的市场销量累计将有可能达到12万套。他们还认为：近几年，日、欧、美均采取了谨慎而积极的进军态势，抽出相当的精力和物力，争先恐后地插足我国的市场，对我国汽车市场以及相关联的“GPS车辆自主导航”市场巨大拓展空间抱有期望。这种国内外同行的竞争，无疑来自于方方面面对中国市场需求所作的种种分析。
全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国国防部为陆、海、空三军研制的新一代卫星导航定位系统,广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。近年来,GPS系统在民用领域迅猛发展,特别是在车辆导航和手机定位等方面潜力巨大。为了适应GPS应用需求,天线是必须解决的关键问题之一。
根据GPS定位原理及其卫星信号特征,为实现接收机快速、连续、精确定位,对GPS天线提出了很高的要求。虽然目前GPS天线技术已经趋于成熟,但它仍旧是制约接收机性能的瓶颈,是设计中主要考虑的因素。GPS接收天线主要有微带贴片天线和四臂螺旋天线两种,为满足当前各种便携式、多功能接收机的需求,人们对GPS天线的小型化、多频段、抗干扰、圆极化等技术进行了不断的研究。本文在介绍GPS工作特性和天线基本要求的基础上,详细论述了两种主要的GPS接收天线,指出了GPS接收机天线的发展趋势,并进行了总结。
2 GPS工作特性及其对天线的基本要求
2.1 GPS工作特性[1]
GPS卫星星座由24颗卫星组成,其中工作星21颗,备用星3颗,卫星分布在6个轨道面上,每个轨道上均匀分布4颗,卫星运行周期为11时58分。卫星在地平面以上的数目随时间和地点的变化而异,最少为4颗,最多为11颗。卫星向用户发送导航电文,GPS接收机同时接收至少4颗卫星信号,利用接收机到卫星的距离计算出测点的三维位置。
GPS测距方法分伪距测量和载波相位测量两种,前者是利用测距码得到某一时刻GPS接收机天线到4颗以上卫星的距离;后者是利用卫星信号载波波长来测量接收机到卫星的距离。
GPS卫星距离地球平均距离为20000多千米,到达地面的GPS信号非常微弱,大约为-160dBW。每颗卫星发射L1和L2两个载波频率,L1频率为1575.42MHz,L2为1227.6MHz。GPS卫星发射天线阵是赋形波束,使用户在天顶和仰角5°时接收信号功率电平最低,两者之间逐渐增强,仰角40°左右时最大。根据距离交汇法定位原理,越是低仰角的卫星,越能提高GPS定位精度,天顶的卫星虽然信号易于接收,但对提高精度贡献不大。
2.2 GPS接收机天线的要求
从上述GPS工作特性,考虑到接收机工作环境影响,对天线提出了以下要求。
2.3.1 方向性
GPS接收机能够接收到地平面上的卫星数目越多越好,一般要求能够接收仰角5°以上的所有天空中的卫星信号。因此,天线在这个空间内要对卫星信号具有均匀的响应,当低于接收高度时,为抑制严重的多路径效应和对流层效应,天线响应要迅速截止。理想的GPS接收机天线在上半平面具有近似半球形的方向图,一般要求波瓣宽度≥120°,水平面附近的截止率大于1dB/度(从仰角-5°到5°)[2]。图 1为一个商用GPS接收机天线的方向图。
在利用载波相位测量的接收机中,天线还应该具有均匀的相位响应,且相位中心要和天线几何中心吻合。
2.3.2 极化形式
GPS信号是由卫星从空间发送下来的,为了消除电离层对信号的法拉第旋转效应,信号采用的是右旋圆极化,因此,接收天线也应采用右旋圆极化方式。当GPS卫星信号被地面或建筑物等对称物体反射后,会变成左旋极化的交叉极化信号,多路径信号多是这种形式,所以右旋圆极化天线还能够抑制多路径干扰。由于圆极化天线存在交叉极化现象,所以应设法提高天线的交叉极化抑制能力。
2.3.3 频率特性
GPS卫星发射频率是L1和L2两个频率,今后会增加L5(1176.45MHz)民用频率。一般情况下,GPS天线工作在单频,但在精确测量时,通常工作在双频或多频来补偿电离层延时,此时要求天线在两个频率上都具有良好的方向性和圆极化特性。
2.3.4 增益
GPS天线具有半球形的方向性,因此增益一般都很低。GPS天线单元一般都由接收天线和低噪声前置放大器组成,放大器一般能够提供15～35dB的增益,许多GPS天线直接采用有源天线设计。
GPS接收机天线除了具有上述要求外,还应采取适当的防护和屏蔽措施,减少多路径干扰;综合考虑安装载体对天线辐射模式的影响,努力实现天线小型化,增强天线顽健性,等等。
3 GPS接收机天线的主要类型
根据应用不同,GPS天线有多种类型,主要有单极或偶极天线、微带天线、单臂螺旋天线、四臂螺旋天线、圆锥螺旋天线、阵列天线等。其中,微带天线多用于测量型接收机和飞行器上,单臂螺旋和圆锥螺旋多用于卫星通信中。目前,微带贴片天线和四臂螺旋天线因具有突出优点和令人满意的电气性能而被广泛使用。
3.1 微带贴片天线
微带天线是50年代提出,80年代趋于成熟的一种天线。由于微带天线具有体积小、可共形、设计灵活、易于制造、成本低、便于获得圆极化等优点,因此被广泛应用在GPS接收系统中。通常微带天线是由一块厚度远小于工作波长的介质基片和两面各覆盖一块辐射金属片构成,如图 2所示。其中覆盖基片底部的有限辐射金属片称为接地板,而基片另一面尺寸和工作波长近似的金属片称为辐射单元。微带天线一般采用底端同轴馈电,同轴线的内导体穿过基片和贴片连接,而外导体连接在接地板上。微带天线按辐射元的形状可分为多种类型,GPS常用的是矩形和圆形微带天线。
3.1.1 微带贴片天线的理论分析
微带贴片天线可看作是,在导体贴片与接地板之间激励的射频电磁场,通过贴片四周与接地板之间的缝隙而产生的向外辐射。
分析微带天线的基本理论大致可分为三类:传输线理论、空腔理论和全波理论[3]。
最早出现的也最简单的是传输线模型理论,主要用于矩形贴片。该理论将微带天线看成两个正交的、终端开路的传输线,传输准TEM波。更严格更有用的是空腔模型理论,可用于各种规则贴片,该理论将贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的谐振空腔,天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出,天线输入阻抗可根据空腔内场和馈源边界条件来求得。最严格而计算最复杂的是积分方程法,即全波理论。从原理上说,全波理论可用于任何微带天线,然而要受计算模型的精度和机时的限制。
3.1.2 微带贴片天线的圆极化[4]
微带天线获得圆极化的关键是激励起两个极化方向正交、幅度相等、相位差90度的线极化波。对于单点馈电的GPS微带天线来说,主要通过切角和偏置馈电来实现,切角包括辐射元切角和基片切角。图 3为典型的两个GPS圆极化贴片天线,(a)中是贴片双切角且x轴偏置馈电,(b)中是基片单切角且x和y轴偏置馈电[5]。
3.1.3 微带贴片天线的性能
贴片天线是宽波束天线,在天顶具有最大增益。该天线的缺点是增益低。图 3是一个商用的GPS介质贴片天线的方向图[5],该天线接收频率范围1575.42±1.023MHz,带宽9MHz(Reture Loss≤-10dB),尺寸25×25×4.5mm,增益5dBi(天顶),-1dBi(10°仰角),输入阻抗50Ω。
3.2 四臂螺旋天线
谐振式四臂螺旋天线是C.C.Kilgus 在1968年提出的,并对其进行了深入研究[6,7,8],该天线具有心型的方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性。J.M.Tranquilla在文献[9]中对天线的相位和幅度特性进行了进一步研究。1996年P.K.Shumaker提出了一种新型的印刷谐振式四臂螺旋天线[10],从而实现了天线小型化。四臂螺旋天线被认为是最理想的GPS接收天线。
3.2.1 四臂螺旋天线的结构
谐振式四臂螺旋天线结构如图 4所示, 它由四根螺旋臂组成,每根螺旋臂长度为Mλ/4(M为整数)。 四根螺旋臂馈电端电流相等,相位两两相差90°(分别为0°、90°、180°、270°);非馈电端开路(M为奇数时)或短路(M为偶数时)。四臂螺旋天线也可以看作是由两个正交馈电的双臂螺旋天线组成。天线的结构参数可由下式确定[8]:
其中Lax为螺旋的轴向长度(mm);Lele为螺旋臂的长度(mm);r0为螺旋的半径(mm);N为螺旋的圈数;M为奇数时A=1,M为偶数时,A=2。
设计四臂螺旋天线时,要确定其高度、直径和螺旋线上升角,从而得到预期的天线增益、方向性和输入阻抗。谐振的1/4圈、1/2圈和1圈的四臂螺旋天线在任何轴长和直径下,能够产生心形方向图,但臂长大于1圈或者轴长和直径之比较小将对理想的方向图和高的圆极化轴比产生不良影响。所以谐振式四臂螺旋天线一般臂长为λ/2,旋转角度为1/2圈。对于小型印刷介质加载四臂螺旋天线,采用同轴线经过轴心在顶部进行馈电,为达到平衡馈电,底部设计有λ/4巴伦结构。如 5是双臂螺旋结构的示意图。
3.2.2 四臂螺旋天线的工作原理
四臂螺旋天线可以看作是两个双臂螺旋天线构成的,它们之间旋转90°且正交馈电。对于一个双臂螺旋天线来说,当天线处于谐振状态时,臂上的电流幅度接近正弦分布,其中最大值位于馈电点和短路点,零点位于螺旋臂的中部,我们可得到它的简化模型[8],如图 6(a)所示。这里我们选择螺旋中心为原点,轴为Z轴,顶面和底面上天线臂的平行线为Y轴来建立坐标系,显然该模型可进一步简化为图 6(b)所示的一个YZ平面上的电流环和一个X轴上的电偶极子的组合。同样,跟它垂直的另一付双臂螺旋天线亦可以等效成一个XZ平面上的电流环和一个Y轴上的电偶极子的组合。根据天线的叠加原理,由于这两组电流环和电偶极子互相垂直且相位差90°,那么在远区得到的是一个宽波束的心型的圆极化方向图。
四臂螺旋天线的关键问题是实现等幅正交馈电,利用同轴电缆可实现双臂螺旋的等幅反向馈电,因此还需要实现两个双臂螺旋的正交馈电。一种设计方法是采用移相电路的馈电网络,实现90度相移[11]。第二种方法是采用自相移结构[12],使两个双臂螺旋的长度有一定差别,其中一个比谐振时的长度稍长,产生一个相对于谐振时有-45度相移的输入阻抗,另一个比谐振时的稍短,产生一个相对于谐振时有+45度相移的输入阻抗,这样,两个双臂螺旋就实现了相位差90°。
3.2.3 介质加载四臂螺旋天线
较大的尺寸和复杂的馈电结构一直制约着四臂螺旋天线的应用。介质加载四臂螺旋天线采用高介电常数的介质和自相移馈电结构,可解决上述问题。图 7(a)所示为英国sarantel公司生产的GPS介质加载四臂螺旋天线。该天线采用εr=40的陶瓷作为介质,四条臂通过激光刻蚀形成,尺寸为10×18(直径×高)。同轴电缆馈电结构通过轴心在顶端进行馈电,底部为一套筒巴伦,在实现平衡馈电的同时将电流限制在巴伦边缘,减少周围物体对天线的影响。图 7(b)为该天线的方向图。
3.3 微带天线和四臂螺旋天线的比较
根据前面的讨论可以看出,两种天线各有优缺点,详见表 1。
4 GPS天线的发展趋势
4.1 天线的小型化
近年来便携式接收机的应用,对小型化GPS天线提出了迫切需求。目前GPS微带天线和四臂螺旋天线多采用高介电常数的陶瓷材料作为介质来实现天线小型化。
采用εr=28的陶瓷基片代替εr=3的普通基片,微带天线的尺寸可以缩减90%左右。采用εr=40的陶瓷介质的四臂螺旋天线(如图 7),体积只有原来的1/6。但这类高介质天线的表面损耗较大,效率较低。对四臂螺旋天线来说,还可通过加载[13]、曲流[14]、部分折叠[15]等技术实现小型化。
今后,可采用损耗更小、介电常数更大的介质及特殊的天线结构,来进一步缩小天线尺寸。
4.2 降低天线成本
目前微带天线价格比较适中,在GPS应用中处于优势地位。虽然介质加载四臂螺旋天线性能优良,但该天线结构复杂,制作加工成本较高,因而只应用在高端产品中。可见,设法降低四臂螺旋天线的制作成本,是保证GPS产品广泛应用的必然要求。
4.3 增强抗干扰能力
GPS信号极易遭受外来的干扰,对于天线来说,主要通过波束控制技术和自适应调零天线[16]来抗干扰。波束控制技术是用数字波束形成的方法将天线波束定向到所要跟踪的卫星,从而把增益加到所希望的信号上,这种方法需要使用大孔径的天线阵,计算任务繁重。自适应调零天线是通过电子调谐方式,使天线方向图在干扰源方向上建立零点,可将抗干扰能力提高40～50dB。自适应调零天线在美国军事上得到了广泛应用。"战斧"导弹、JDAM(联合直接攻击弹药)及F216战斗机上的GPS 接收机均采用了自适应调零天线阵。
另外,如何对付城市中严重的多路径干扰,也是当前应用中的一个关键问题。
4.4 双/多频段天线
目前,美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统及欧洲伽利略系统,都能够提供导航服务。如果一部接收机能同时接收两种甚至三种卫星信号,不仅有助于观测更多的星座,提高定位精度,还能够免受单一系统的制约。另外,除了精密双频测量接收机外,GPS技术和个人移动通信终端的集成,也需要一个天线能够解决GPS和GSM、CDMA或3G两个频段的应用问题。
目前的微带天线,多采用贴片层叠的方法来实现双/多频段。对于四臂螺旋天线,多采用上下堆叠和内外嵌套的方式来实现,还有一种方法是,将每条臂用三根不同长度臂代替,实现三频段特性[17]。值得指出的是,四臂螺旋天线,在双频段天线设计上具有潜在优势,可利用它不同的工作模式,实现双/多频特性。
4.5 国内研究情况
国内对GPS贴片天线的研究已趋于成熟,许多厂家都能够设计和生产。而小型介质加载四臂螺旋天线,主要被英国sarantel公司垄断,国内还没有相应的产品,因此目前对该天线研究比较热门。我们浙江大学正在合作研究此类型天线,目前已经制作了样品,通过微波暗室测量,性能良好;上海大学和相关单位也已经联合研制了GPS方形介质加载四臂螺旋天线[18],预计在不久的将来这些产品将达到应用要求。
5 结束语
GPS接收机天线是宽波束圆极化天线,具有近似上半球形的振幅和相位响应。微带贴片天线和四臂螺旋天线是目前应用较多的两种GPS天线,其中四臂螺旋天线被认为是理想的GPS天线,但微带天线由于成本低而得到广泛应用。今后一个时期,GPS天线将向小型化、多频段、抗干扰等方向发展。
摘要：GPS系统自1994部署完毕后,迅速在导航、测绘及授时等多个领域得到广泛应用。GPS应用领域的快速壮大,有力地推动了天线技术的发展。在介绍GPS工作特性及其对接收天线要求的基础上,着重阐述了微带天线和四臂螺旋天线两种主要的GPS天线,并针对当前GPS接收设备发展趋势,展望了GPS天线在小型化、低成本、抗干扰、多频段等方面的发展方向和有关难题。
【关键词】 GPS；辅助定位；比较
GPS定位器在导航、定位和测速等方面都具有非常广泛的应用前景，也越来越广泛的被用户所接受。但是，由于GPS技术本身的缺陷，GPS设备也存在其自身所不能克服的缺陷。
为了弥补GPS定位器的不足，目前主要采取以下几种辅助定位方式：
一、利用无线电波信号的特征参数进行定位
此类方法是通过检测位于已知位置的基站和移动台之间传播的无线电波信号的特征参数，来确定移动台的距离或者方向或者全部。
目前的移動通信网络都是蜂窝网络，蜂窝网络常用的移动台定位方法主要分为基于方向的定位和基于距离的定位。
1．基于方向（AOA）的定位技术
AOA定位技术一般利用由两个或更多基站通过测量接收信号的的到达方向来估计MS的位置，AOA定位方法可惟一确定一个二维定位点。MS发，BS1收，测量可得一条BS1到MS连线；同理可测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。其中，基站利用接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角，即信号的方向，构成基站到移动台的径向连线，即方位线。测量信号到达角的定位方法多用于宏小区，或者与其他定位技术混合使用来提高定位精度。
2．基于距离的定位技术
移动台和基站之间距离的估计可以通过接收信号的强度、到达时间、到达时间差和信号的相位来获得。估计确定移动台在二维空间的位置需要3次测量，确定移动台在三维空间的位置需要4次测量。基于距离的定位技术包括起源蜂窝小区技术、基于时间或时间差的定位法、场强定位法、相位法和信号指纹数据库法。
二、利用移动台接收的GPS导航电文进行定位
目前在国内运用的移动台定位技术主要有三种，纯粹的GPS定位技术、A-GPS技术和GPSOne定位技术。
1．基于终端的GPS定位技术
基于终端的GPS定位技术主要是利用移动台上的GPS接收机来实现GPS定位。定位方式是移动台需要接收4个以上的GPS卫星信号，并且解调卫星的导航电文，随后，移动台利用信号时延得出到各个卫星的伪距，利用这些信息就可以计算出移动台的精确位置。
基于终端的GPS定位技术的定位精度一般在几米到十几米，可以满足高端用户高精度定位的要求。但是受终端所在环境影响较大，如当用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将会大大降低，甚至无法完成定位。
2．网络辅助GPS的定位技术（A-GPS）
A-GPS技术，又称为辅助GPS（Assistant GPS）定位技术，是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术。它的基本原理是：网络向移动台提供辅助GPS信息，包括GPS伪距测量的辅助信息和移动台位置计算的辅助信息。利用这些信息，移动台可以很快捕捉卫星并接收到测量信息，由此计算出移动台当前所处的位置或交后台定位中心计算位置。
A-GPS解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区，其精度在正常的GPS工作环境下，可达10米左右，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。该技术的另一优点为：首次捕获GPS信号的时间一般仅需几秒，不像GPS的首次捕获时间可能要2～3分钟。
3．GPSOne定位技术
GPSOne是一种应用和改善GPS技术的方案。GPSOne移动定位技术，结合了GPS卫星信号和CDMA网络信号进行混合定位。在终端能够接收到GPS卫星信号时采用GPS定位方式，当终端在室内或者接受卫星信号不好的环境时采用CDMA基站接收的辅助GPS卫星信号实现辅助定位，满足室内室外的全覆盖定位。
GPSOne采用了GPSOne技术的移动平台，同时从GPS卫星和蜂窝/PCS网络收集测量数据，然后通过组合这些数据生成精确的三维定位。在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下，GPSOne系统会组合这两种信息源，只要有一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位，解决了传统方案无法解决的问题。
三、主要辅助定位方式的比较与分析
1．基于基站的移动台定位技术
从定位精度上而言，基于基站的移动台定位系统最差，但考虑到目前我国GSM网络基站密度较高，所以基于基站的移动台定位系统的精度在大部分城区可以达到100米至150米左右，对部分商业定位应用来说是足够了。
对于基于基站的移动台定位技术，目前最重要的技术问题是GIS(地理信息系统)的建立，因为对于一般用户，他们关心的是定位系统能给自己带来那些生活、学习、工作中的便捷，完全是处在使用者的角度来看待这一事物。所以，从性价比方面而言，基于基站的移动台定位系统在现有的网络上基本不需要增加额外的投入就可比较满意的达到定位的效果。
2．A-GPS技术
A-GPS解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区，其精度在正常的GPS工作环境下，可达10米左右，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。该技术的另一优点为：首次捕获GPS信号的时间一般仅需几秒，不像GPS的首次捕获时间可能要2～3分钟。
虽然A-GPS技术的定位精度很高、首次捕获GPS信号时间短，但是该技术也存在着一些缺点。首先，室内定位的问题目前仍然无法圆满解决。另外，A-GPS的定位实现必须通过多次网络传输，最多可达6次单向传输，这对运营商来说是被认为大量的占用了空中资源。A-GPS最主要的问题是用户对于使用移动定位业务必须更换手机难以接受。而且A-GPS手机比一般手机在耗电上有一定的额外负担，间接减短了手机的待机时间。除此之外，就是使用有效性问题。由于GPS系统受美国政府拥有和控制，在非常时期（如发生战争等），民用GPS服务可能会受到影响，A-GPS的定位业务更难以正常运作了。
3．GPSOne技术
目前GPSOne的定位精度达到了5～50米，完全可以使用户知道他们的确切位置，并可以同时上传和下传定位地点的数据，无须另外的通信通道，利用无线运营商的网络和位置服务商的GIS，实现企业级应用。
GPSOne 定位技术是在改进GPS 定位技术的不足之处而推出来的系统，比之单纯的GPS定位技术具有如下特点：精度高，在较好的条件下，定位精度能达到5～50米；定位时间短，完成一次定位只需几秒到几十秒时间；适用范围广，无论在视野开阔的野外还是高楼林立的市中心，还是室内，以及许多其他传统定位方式无法正常工作的环境下都能成功地实现定位；终端集成度好：定位功能集成在CDMA 核心芯片中，支持GPSOne 定位技术的手机或终端，与普通CDMA手机在尺寸、耗电及成本方面均无大的差别。
参考文献：
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[3]夏红霞，周宏，杨红云.基于GIS/GPS车辆监控系统实现及关键技术.《微机发展》
公交GPS系统能够实现公交企业由传统经营管理模式向“安全监管可视化、运营调度智能化、数据生成自动化、市民出行信息化、企业管理规范化”管理模式的转型，为总公司领导提供决策支持，有助于提高企业运作效率，降低企业整体运营成本，强化企业内部管理，推进企业发展，加强公共交通系统的资源协调，使城市公共交通系统网络更趋合理和完善。从 年起逐步投入使用，经过 年的建设和运行使用，系统建设基本完成并逐步成熟，成果显著，推动了企业发展，提高了经济和社会效益。但仍然存在一些问题，需要不断去解决。具体问题和建议如下：
一、系统尚未完善和全面使用。该系统在使用过程中不断发现新的问题和需求；行车大间隔数据采集和生成、客流统计、通过车载终端或刷卡机自助考勤等功能尚未实现；ERP系统中内部生产管理子系统仍在不断完善中，未能全面实现信息互补、资源共享、管理协同的企业管理目标。系统完善和成熟使用是个漫长的过程，离不开政府和总公司领导的统筹、重视、支持和指导。
二、各单位（部门）在公交GPS系统建设和使用过程中担任的角色和使用权限需进一步明确和确定，分工明确；完善系统相关规定和管理制度。同时，要加强部门、单位之间的协调沟通，互通有无，资源共享。
三、系统问题处理不够及时、快速，有的甚至进度严重滞后。虽然系统维护公司安排有运维和设备维护人员常驻我司，但是系统软件和硬件问题都比较多，系统故障也时有发生，现有人员配备不能满足我司各项需求。建议增配技术和维护人员，总公司定期组织我司相关职能处室部门或单位与系统维护公司召开关于系统问题和需求进度的沟通座谈会，提升系统完善和问题处理进度。
四、培养我司公交GPS系统技术专业人才，学习相关专业知识和技能，储备后备力量，以备全面接管系统的使用和维护。另外，希望能够提供向国内同行学习、交流的平台和机会。
五、调度工作是城市公共客运交通运输管理系统中最基层也是非常重要的一环，也是公交GPS系统的重要支撑。建议尽快落实坐席调度员、站员配置方案，考虑统筹、提高坐席调度员的工资待遇，从而节约企业人力资源和人工成本，降本增效，优化调度人员结构，提高调度员工作积极性和动力，促进企业发展。
今后，我将不断加强专业理论知识学习，不断掌握新知识、新技术，同时向身边的同事和领导学习，取长补短，提高自身业务能力和工作水平，做好本职工作，以企业发展为已任，勇挑重担，积极为企业发展献计献策，实现自己的人生价值。
第一步：开机→双击hi-rtk road→进入菜单界面。任何工程在测量或者是交桩之前都必须新建或者打开要交桩的工程，在调试参数！！
第二步：点击项目新建或者打开已知项目名称。
第三步：点击参数椭球84和北京54坐标，其次投影就是高斯三角带114，椭球转换盒平面转换都是无，特殊情况须在平面转换里设置四参数，最后点击保存。
第四步：连接GPS，先连基站，如果基站过期就要点注册否者不能正常测量，接着设置基站，如果基站是架在已知点上就要在点库里找到该点，不是就要测量（点平滑）该点坐标，天线高须用钢尺测量，数据链就是外部数据链，其他就是电文格式调成3.0点确定即可。第五步：断开基站的GPS,连接移动站的GPS，数据链就是内置电台，频道必须要和电台的频道一致，其他也是把电文格式调成3.0，点确定即可。
第六步：点击测量，F1功能帮助，平滑就是踩点，一般采集的点都是在碎部测量里，碎部测量是一个小菜单里面有7个子项目要连直线，点击线放样，在记录点库找到要连接的两点即可，后面3个子项目都是按类型添加未知坐标的点。
第七步：要想知道两个坐标之间的距离点击工具→间接测量→距离方位→在记录点找到该点，或者输入该点坐标即可。
打开手薄—EGstar—工程—新建工程—命名工程，命名后点确定，当前工程即为新建工程（记住新建工程的储存位置）
第二步：输入直曲表(无需开机头)
EGstar—输入—道路设计—选择“交点模式”（元素模式）--—点下侧菜单栏中的“新建”新建一个文件—输入直曲表（坐标表）—保存--
第三步：账户管理（打开机头）
EGstar—配置—网络设置—编辑—选择账户名称及密码—确定
第四步：蓝牙连接（打开机头）
手薄桌面—双击下侧菜单栏中的“蓝牙图标”—串口管理—选中已有的串口—删除
蓝牙设备—重新扫描设备—选择应有的设备“双击”—出现“串口服务”字样—点击串口服务前方的电脑样式的图标—选择应有的串口—确定—选中选择的串口—右上侧“OK” 第五步：测量（打开机头）
EGstar—（注意左上方项目名称为目标项目）—测量—点测量—采集该范围内的控制点（至少四个，测量过程要精准，水准泡要居中）
第六步：求平差（可不开机头）
EGstar—输入—求转换参数—增加—输入点名、坐标、高程参数—确定—从坐标管理库选点—选中该点—确定，相同的操作，依次完成其他各点—拖动下侧滚轴—核对精度—若满足要求则可进行下一步，若精度不够可进行多次测量，验证准确性—保存—应用
第七步：（1）道路放样（打开机头）
EGstar—测量—道路放样—点下侧菜单栏黑色箭头—目标—打开—找到“第二步”新建的直曲表文件—进入该文件中的info文件—选中对应的“rod”格式的文件—OK,即可进行道路放样。
（2）地形测量（打开机头）
EGstar—测量-—点测量
第八步：测量完后关机器
先关手薄（可挂起，该模式相当于电脑待机），再关机头（按住电源键，响三声后松手，即可关掉）测量后的整理工作：
第九步：数据导出手薄，导入电脑
（1）手薄操作：连接好数据线后，EGstar—工程—文件导入导出—文件导出—选“南方 cass格式（*dat）Pn，Pc，y，x，h”—测量文件—选中该次创建的测量文件—OK —成果文件—选中相同的文件，重命名文件—导出
（2）电脑操作：我的电脑—移动设备—找到目标文件夹—选中导出的（重命名文件）—复制，粘贴到电脑上，该文件无需处理，即可直接使用。
第十步：展点
打开cass软件—文件—打开已有图形（已有地形图的）—绘图处理：
1．若选“展高程点”，调入上一步从手薄导出电脑的dat格式的文件，则展入的点，会显示高程，但不会显示点号；
2．若选“展野外测点点号” 调入上一步从手薄导出电脑的dat格式的文件，则展入的点，会显示点号，该点的坐标和高程，需从该点的属性栏里查看
3．若选“展野外测点代码”需提前在dat文件中整理代码，否则，机器默认的代码均为“00000000”。
4．展点过程中检验插入点是否为原点坐标的方法：编好一个光有原点的dat文件，展点，若原点和cass文件中的原点重合，则说明插入点就是原点；若有偏差，说明插入点不是原点，亦可得到实际的插入点
关键词：GPS技术,变形监测,运用现状,发展趋势
1 前言
GPS技术是一项高科技的现代技术, 其应用非常地具价值性。它可以向全球的任何用户进行全天候地连续提供人们所需要的高精度的三维坐标、三维速度及其时间信息等技术参数, 同时, 也是当前在变形监测技术中广泛应用的一项高新技术。由于世界各种地质灾害等的发生是难以避免的, 故只有将其发生率控制在最小, 才能保证地质灾害给社会带来最小的危害。而GPS变形监测技术的应用与发展正好可以为特殊地形下的变形监测工作做到更高精度, 故对其发展进行研究已经成为了一项重要的工作。
2 GPS变形监测概述
变形监测指的是对工程建筑物的地基沉降情况、发生位移以及整体的倾斜度等的变形状况进行监测。其关键也在于捕捉变形的敏感部位, 以及各观测周期间的变形观测点的变形信息。变形监测过程中, 如果其观测的变形在一定的限度之内, 则被推断为正常变形情况, 但是如果其变形超过了界定限度, 就影响了建筑物的正常使用, 预示将有可能带来安全危害。故在这样的情况下我们可知道, 变形观测是具有高精度要求的。但是其高精度主要取决于建筑物设计中允许变形值的大小及其观测的目的。
3 GPS变形监测技术的现状
3.1 GPS变形监测技术
(1) GPS变形监测技术主要分为周期性监测模式和连续性监测模式。GPS周期性监测较GPS连续性监测模式而言, 二者都拥有同等长时间监测的特点, 但是在进行整个监测的过程中, 连续性监测模式在检测手段上主要采取的是固定监测仪, 有利于高时间分辨率数据的获取, 且连续性监测模式中包含了动态监测与静态监测。虽然二者之间存在着异与同, 但是都对变形监测方面的工作带来了很大的作用意义。
(2) 在以上的GPS变形监测模式获取的数据之后, 就是对其相应数据进行整理和分析了。GPS数据处理软件的种类虽然颇多, 但是在对数据进行处理时都是以同步网的基线处理展开。
3.2 GPS变形监测存在的问题
在当前的形势看, GPS变形监测技术得到了世界的高度重视, 也因此得到了一些改善, 并且在各种各样的复杂变形监测情况中发挥了不少作用。但是就整体而言, 也仍然存在着一些不足之处, 仍有待改进。如在面对高山峡谷、丛林深处以及建筑物密集的特殊地形时, 由于其精度和可靠性的束缚, 使其在监测上有了不少的难度, 并且由于其监测过程中大多以水平监测为主, 进而使得在对高山峡谷等这类特殊地形进行监测时就会忽略其垂直监视, 这样就会导致平面与垂直位移的公共监测变得艰难。此外, GPS变形监测技术水平在使用上仍然是作为联合与辅助其他监测技术而运用, 而不是完全代替了其他监测技术的水平。
4 GPS变形监测技术的发展趋势
4.1 建立GPS变形监控在线实时分析系统
对于特殊地形, 如大坝、大型桥梁以及滑坡等带地区性地壳变形监测, 应当要重视。可以考虑针对其地形变化特点建立起先进且实用的GPS变形监控在线实时分析系统。这种实时分析系统具有对监测数据进行及时分析和处理的功能, 并且还能够从这些实时的变形状况进行评价和估测其发展趋势, 以便降低危害发生的可能性。但是, 当前面临的问题则是, 要建立起连续运行的GPS网络系统, 其成本又是较为昂贵的。
4.2 建立“3S”集成变形监测系统
“3S”指的是全球卫星定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感技术RS, 这三项先进高科技技术统称为“3S”技术。当下, 随着科学技术的飞速发展, 各种研发的高新技术不断被应用到各种领域当中, 其中“3S”技术的强大作用是毋庸置疑的。并且也由于当前计算机技术及无线电讯技术的高速发展, 使得“3S”技术能够有效融合到变形监测中去实现更大的作用与价值, 更好地服务于监测工作中。
4.3 建立GPS与其他变形监测技术集成组合的综合变形监测系统
对GPS技术用于变形监测时所产生的局限性与不足, 可根据变形监测的对象及其目的, 将GPS技术很好地域其他变形监测技术相结合。这样组成综合的变形监测系统, 不仅实现了原本组合中的优势互补, 还能够使得GPS技术在变形监测上的应用更为广泛了。GPS等空间测地技术集成组合应当用于大范围的监测当中。如应用于地壳运动变形监测时, 就大大提升了地壳形变观测在空间域的分辨能力和控制能力。
5 结语
总之, 随着现代科学技术的突飞猛进, 变形监测技术也得到了一定的改进, 而具有连续、实时、高精度、全天候测量以及自动化程度高等优点的GPS也正被广泛应用于变形监测当中。在面对各种复杂的地形变形监测时, 为保证变形监测的高精度, 减少因变形监测失误带来的危害, 就需要切实将GPS变形监测技术做到进一步完善。也只有使其真正发挥了作用, 才能使检测技术得以更好发展, 并为促进我国经济发展而做贡献。
参考文献
[1]胡友健, 梁新美, 许成功.论GPS变形监测技术的现状与发展趋势[J].测绘科学, 2006 (05) :155-157+10.
关键词：水利工程；GPS测绘新技术
中图分类号： TV221；P228.4 文献标识码： A 文章编号： 1674-0432（2013）-10-92-2
水利工程建设在当今的社会经济发展中有着举足轻重的作用，我国对水利工程建设也极其看重，每年都有许多的水利工程项目。但在一些偏远的地区，高级测量的控制点比较少，在那些地区的水利工程测绘难度很大。但随着新时期GPS全球定位技术的发展和普及，由于它有着实时性、精确性和高效性等优点，也被大范围的运用于水利工程测绘，大大提高了水利工程的效率和工程质量，是当今最为先进的测量方法。多年实践证明，水利工程中GPS测绘新技术不仅为测量提供了新的方法和手段，还革新了工程测绘的定位，且在实践操作中不断的进步与完善。GPS测绘新技术也逐步代替了过去测距、测角、测水的常规地面的定位，而将视野、定位范围大大的扩展了。
本文具体探讨了新时期水利工程中GPS测绘技术的工作原理， GPS测绘技术的优势及其作用和发展趋势等内容。
1 GPS测绘技术工作原理
GPS定位的工作原理有相对定位原理，绝对定位原理和载波相位的时差分原理，至于水利工程中的GPS测绘主要用的是载波相位时差分原理。载波相位的时差分原理简称为RTK技术，可以时时的控制两个监测站，即流动站和基准站。RTK测绘是将GPS相对定位理论作为依据进行测量的，是将一台接收器安装在基准站，再将另外几台接收器放在移动站上面，采集同步的卫星信号。在进行载波相位测量和接收GPS的信号时，通过卫星的追踪，数据链把观测站坐标和观测值由基准站传到移动站。通过移动站和数据链来接收基准站的数据，还可用GPS控制装置随着对采集到的数据进行处理，进行时差分计算。通过准确的计算，给出待测点的高度、坐标和实测精度，然后对比预设精度与实测精度指标，记录其三维精度及其坐标。在工作时，可以在已知点初始化后再进行动态的作业，并在动态作业中求解整周模糊值。移动站可以随时传递待测点的三维坐标，但要维持4颗以上的卫星观测跟踪。
在用RTK技术测图的时候，只要一个人带着仪器在待测点，通过微机记录，再由专业的测图软件给出所需的地形图。这种定位简单方便，极大地提高了测图的效率。在用RTK技术放样的时候，输入放样点坐标，再选择开始放样，这样在手薄上就会显示放样点与当前地点之间的关系，所以RTK技术可在困难的环境下放样。
2水利工程中GPS测绘技术的优点
在新时期水利工程建设中，GPS测绘技术有着许多过去落后的测绘技术所没有的优点。首先GPS测绘技术的定位精确度很高，采用的载波相位时分差技术的定位精确之细微可以只有1～2cm，探测仪的精度只有5cm+0.4%。而且使用GPS测绘技术观察站间不需要通视，在传统的测绘手段中一定要维持观测站间较好的通视环境，但GPS测绘技术就可以忽略这个条件，为水利工程提供方便。GPS测绘新技术还有全程监控、操作方便的特点，只要将GPS和电脑相连，开机就可以使用，不用后视和架设仪器就能进行实时的全程监控定位。对于天气，GPS测绘技术也没有特别的要求，哪怕在天气恶劣的条件下也可以顺利工作。在图测方面，GPS测绘拥有高度的自动化成图功能，配套的处理数据软件可以自动成图进行计算、测算包括各层间的方量和面积、各断面未抛量和总抛量。最后，GPS测绘新技术的水深测绘与平面定位完全同步，不用再进行水位的测定。在过去的水深测绘中水深测绘和平面定位是分开的，平面的位置和测深没有同步，且受浪潮的影响比较大，观测时和水尺观测的情况不一样。而GPS测绘技术没有验潮测深法就可以解决上面的问题，不用进行观潮与修正水位情况，测绘不受潮水的影响。
3 GPS测绘技术在水利工程中的应用
由于现在的水利工程基本建设于偏远的沟壑深山中，地形复杂，植被覆盖较多，国家的控制点也比较少，观测通视的条件差，相应的仪器在测量中也有很大的难度，这些不利因素为水利工程建设带来了许多麻烦，而GPS测绘技术的出现很好地解决了这些问题。GPS技术的好处是不受地点、时间、地理条件、气候等客观环境的影响，为水利工程建设的勘探、设计、施工和验收测试完成提供技术支持，有利于工程的测量定位和控制测量的工作，提高测绘的工作效率，降低工作人员的工作效率。GPS在水利测绘应用的方面主要有外业测绘、实时动态测绘、GPS的布网等。
GPS的外业测绘的重点在于选点，GPS的选点定位对保证测绘结果的准确度有着重要的意义，在选点之前一定要做好足够的准备，了解搜集观测地区的地理位置，标型的完整度，标价等条件。GPS观测工作的重点在于开机观测和无线安装，这和一般的测绘有很大的区别，在无线安装过程中，要正常定位，天线应该架设在三脚架上面，安装在标志的中心上方，还有天线的基座上面的圆形水准气泡一定要平稳，在刮风的天气里，应将无线三方向固定。实时动态测绘就是RTK技术，上面已经提到过，就是在基准站安装GPS的接收机，对可见卫星进行测试，传递基准站和移动站之间的数据，再建立两个观测站之间的解算，相对位置，实时储存与输出流动站的位置三维坐标。GPS的布网工作是对带状工程及线路进行工程测绘。比如在引水工程中一般都用边连式或点连式组成连续的三角锁图形，对工程枢纽区域的变形监测网和施工控制网，一般用网连式或边连式的布设，用来增加网形的强度，提升GPS测绘控制网的精确度和可靠性。
4水利工程中GPS测绘技术的发展前景
随着我国科技和经济的高速发展，水利工程的测绘设计，硬件设施和软件技术都得到了长足的进步，伴随着机遇与挑战，迎来了水利工程建设的新时期。水利工程的测绘必须更加严谨，对硬件设施的要求变得更高，软件也要求提供数字化测绘技术的支持。在当前的技术条件下，GPS技术中的RTK技术是测绘技术的主流，在水利工程建设中有着广阔的前景。现在GPS测绘技术主要在施工中为渠道，闸门，堤坝建立控制网，这只是GPS测绘技术在水利工程中应用的一小部分，在未来的发展中，相信RTK技术在实践应用中会不断的发展，得到更加广泛的推广。
5总结
新时期下水利工程中的GPS测绘技术推广与应用是一个崭新的突破，堪称革命性技术革新。GPS测绘技术的出现，改变了传统水利工程作业的方法与理念，提高了测绘的精度和效率。尤其实时动态定位，即RTK技术在水利测绘中的应用成效更是让人感到惊喜。要知道，水利工程中的测绘质量对工程建设的影响非常大，落后的测绘技术将会阻碍水利事业的发展，还会增加不必要的成本。所以在新时期水利工程中加强对于GPS测绘技术的研究，对改善当前测绘工作的质量，降低工程的造价成本，增加水利工程建设的经济效益与社会效益很有帮助。
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