10GPS高程测量的制约因素及对策

1、GPS 高程测量的制约因素及对策摘要:通过对 GPS 高程测量制约因素的探讨，分析了 GPS 高程测量制约因素的成因及其减 弱或消除办法，并对 GPS 高程测量的发展方向提出了一些看法。关键词 ：GPS; 大地高 ; 高程基准；高程异常1 引言GPS（ 全球定位系统 ） 作为一种高科技的三维测量工具， 已被广泛地运用到测量实际工作 中去。它集数据采集、处理、传输、分析于一体，受到了测绘界的普遍关注和青睐。国内外 大量的测量实践证明，利用 GPS 进行平面定位已能达到很高的精度，目前在建立平面控制 网的测量中已被广泛运用。由于我国幅员辽阔， GPS 测高受区域性大地水准面的限制以及 仪器和外界条

2、件等诸方面因素的影响，所测高程精度较低，无法满足各项工程建设的需要。 因此， GPS 测高还很难在高程控制网中发挥应有的作用。要提高GPS 高程测量的精度，就必须探讨 GPS 测高的制约因素和提高 GPS 测高精度的处理办法。2 GPS 进行高程测量的原理2.1 GPS 高程测 f 的基本原理GPS 能够精确地测出地面点在 WGS 一 84 坐标 （美国国防部 1984 年世界大地坐标系 ） 中的三维坐标 X,Y,Z ，经系统转换可以得到地面点在局部坐标系中的大地高。由于 GPS 高 程的高程异常值无法直接求得， 要把它转换成我国正在使用的正常高 （或海拔高 ） ，目前还受 诸多方面的影响，因

3、此，高程异常的确定已成为 GPS 高程转换的关键。获取高程异常值的方法很多， 目前常用的方法有利用已有高程异常内插法、 二次曲面拟 合法、借助重力与地形数据内插法等。根据 以 上 几种方法就可以求得高程异常值 （0. 大地高、正常高与高程异常值的关系如下 : Ho = H, + 夸 （1 ）式中：He为大地高;Hr为正常高；夸为高程异常值。 通过上式就可以求得正常高， 这就是 GPS 测量高程的原理。2.2 GPS 高程测 f 的主要内容GPS 高程测量主要包括三个方面 ： 使用 GPS 测量大地高 （ 即椭球高 ）； 运用一个大地水准 面模型 ； 将最终要得到的正常高 （或正高 ） 拟合到高

4、程基准面上。 以上三个方面限制了 GPS 测量高程的精度，它们依 GPS 测量范围的不同而影响大小也不 一样，这正是本文所要探讨的问题。3 GPS 高程测量的制约因素3.1 高程基准面的制约因素3.1.1 大地水准面模型方面的限制利用 GPS 求得的是地面点在 WGS 一 84 坐标系中的大地高，而我国的中华人民共 和国大地测量法式 （草案） 规定，我国高程采用正常高。要想使GPS 高程在工程实际中得到应用，必须实现 GPS 大地高向我国正在使用的正常高的转化。由上面 GPS 的测量原理可知， 为了得到正常高 H, ，我们要知道高程异常值爹。 对于长 距离， GPS 测量也能非常有效地得到大地

5、高，但会遇到大地水准面和高程基准面方面的问 题。由于大地水准面按经典的说法是 : 设想一个静止的海水面向陆地延伸而形成一个封闭的 曲面，其中通过平均海水面的那个水准面称为大地水准面。 但是，随着现代大地测量的发展、 测量精度的提高和多方面的需要， 再把它说成与平均海水面重合就不能认为是严格的了。 因 此，我国的黄海高程基准实际上是近似高程系统。这样的一个大地水准面模型，其相对精度是很低的，从而也制约了 GPS 高程测量的精 度。3.1.2 高程基准方面的制约因素由于我国高程基准面比较多， 有大连高程基准、 大沽高程基准、 废黄河基准、 吴淞基准、1956 年黄海高程基准等等， 每一个高程基准都

6、由一高程原点推算， 有时一个点的高程值由 一个或几个高程基准面来决定。如果这些高程面的海洋测量或水准测量有误， 都将会使高程基准面的基准偏离真实的重 力模型，都会影响 GPS 高程转换的精度。3.2 GPS 高程测 f 方面的制约因素3.2.1 相位整周模糊度解算对 GPS 高程的制约相位整周模糊度解算是否可靠， 直接影响三维坐标的精度。 在控制测量中， 无论采用快 速静态或实时动态测量技术， 都必须精确解算得到相位整周数， 然而相位整周数模糊度的解 算常常会出现解算错误的可能性，从而会影响高程测量的精度。3.2.2 多路径效应的制约因素 所谓多路径效应是指测站附近反射物反射来自卫星的信号与卫

7、星直接发射的信号同时被 接收机接受，这两种信号产生相互影响， 使其观测值偏离其真值， 产生多路径误差。多路径 效应的影响分为直接的和间接的，并能对三维坐标产生分米级影响。3.2.3 电离层延迟对高程刚量的影响电离层对 GPS 测量的影响主要有 : 电离层群延 （绝对测距误差 ）; 电离层载波相位超前 （相对测距误差 ）; 电离层多普勒频移 （距速误差 ）; 振幅闪烁信号衰减 ;磁暴、太阳耀斑等，这 些电离层的变化都会延迟 GPS 信号的传播路线。从而影响 GPS 的高程测量的精度。3.2.4 星历和参考坐标对高程的制约卫星的星历是描述卫星运行轨道的信息，精确的轨道信息是 GPS 定位的基础。另

8、外， 为测定某点的高程就必须获得该地区的一个理想的用 WGS 一 84 参考位置。 卫星星历质量 的好坏及用 WGS 一 84 参考位置确定精度等将直接影响 GPS 的高程测量，可能会产生几 个 PPM 的影响。3.2.5 天线高对高程浏量的影响天线高是一个明显的误差来源。 如果使用三脚架， 由于高度经常发生变化， 外业要求必 须对天线高测量进行严格检查。 若天线不是由一个厂家生产， 则影响会更大， 原因是有效相 位中心不在同一高度上。3.2.6 潮汐对 GPS 高程测量的影响潮汐现象 （包括陆地潮汐和海洋潮汐 ）对 GPS 高程测量也能产生很大的影响，特别是当 基线超过 100km 的情况下

9、，其影响可达到厘米级。4 提高 GPS 高测最精度的措施4.1 计算测区拟合大地水准面模型 为了提高高程测量的精度， 可以通过计算测区大地高模型并采用内插技术来实现。 计算 大地高模型实际上就是高程异常的确定。高程异常确定通常分为重力法和几何解析法两类。4.1.1 计算大地水准面的方法重力法是利用测区内的地面重力测量资料求解大地水准面的非线形变化部分， 地域性较 强，无法推广使用。几何解析法是通过一次、 二次或高次的解析多项式拟合出测区的大地高程模型， 进而内 插 GPS 点上的高程异常值。这种方法一般测量作业单位都可以做到。解析法拟 合大地水准面模型的思路是 :如果已知 某点的正常高，且利用

10、 GPS 观测了该点的大地高，则可以精确求得该点的 高程异常值。 要拟合出测区的大地水准面可在测区内布设若干分布较合理的高程点， 这些点 既用二等水准测得各点的正常高，又用 GPS 测得各点的大地高，从而求得各点的高程异常 值。然后再用曲面拟合的方法拟合出高程基准面， 进而内插出未知点的高程异常值， 实现大 地高向正常高的转变。4.1.2 GPS 点大地高转换为正常高的方法及应注意的问题 由大地高、正常高和高程异常值的关系可知，对于两点正常高差则有 : 8H ,= SH E 一 g (2 )通过 GPS 相对测量 18H,; 是可以求得的，而且能够达到相当于三、四等水准测量的精 度要求。所以关

11、键是如何获得一定精度的高程异常 at. 获得高程异常的方法比较多，现将常用的两种介绍如下 :(1) 利用已有高程异常内插。 这种方法， 首先是在某些 GPS 点上联测水准， 获得这些 GPS 点的正常高，进而求出高程异常值。对于未联测水准，待定正常高的 GPS 点的高程异常， 可根据现有的高程异常图，在用已求出正常高 GPS 点的高程异常进行拟合的基础上内插求 得。如此就可求取两 GPS 点的高程异常差以及正常高差，从而求得待定点高程。该方法直接、简便、 易行， 是目前普遍采用的一种方法。 其精度取决于已有高程异常的 精度，即与地形、重力等资料分布有密切关系。(2) 二次曲面拟合。任意点高程异

12、常，可用二次曲面函数表示为i= a o+ a,Ax ;+a2纸 +a3O 山 x ?+Q4Ax 借 +asd xiAYi 3)式中 :Ox;.D Y i 分别为 i 点与选定的基准点的坐标差。如果有 6 个以上联测水准的 GPS 点，就可以有 6 个以上的方程式， 按最小二乘原理解得拟 合系数 ao,a,a 2 as ，从而利用这些系数求得未联测 GPS 点高程异常，再求得其正常高。GPS 高程 转换时应注意以下问题 :已知点的正常高程精度要高， 平差后的 GPS 观测值精度要高。 在进行高程转换过程中， 应考虑地球椭球面法线与铅垂线方向的差异( 即垂线偏差 )的影响。当该差异大于 1'

13、;时，应考虑由它引起的高程误差。在所布设的 GPS 网中，应尽可能利用原有的高程点的高程，同时还应根据需要适当进 行高程联测。 水准重合点的布设应尽可能均匀， 而且在网的边界上布设水准重合点。 只有这 样，才可以大大降低内插出的非重合点上的高程异常的不可靠性。 如果能事先根据其他的高 程异常资料预测到大地水准面的形状和特征点， 通过在特征点上布设重合点， 则可以获得更 佳的拟合效果。如果测区很大， GPS 高程转换时还应采用分区拟合的方法。4.2 GPS 高程测 It 方面应采取的对策GPS 高程测量应以高精度基准网为参考为了确保 GPS 高程测量的精度，必须使区域高程网与高精度的国家网联系起

14、来。一个 工程项目的高程区域网中应该以高精度基准网中的三个或三个以上的高程点为基准。4.2.2 设备要求进行 GPS 高程测量，应使用双频 GPS 接收机，且型号最好相同。因为双频接收机能 消减由于电离层的影响而产生的卫星信号时延。 型号相同可使 GPS 天线相位中心偏差最小， 且天线高固定。固定的天线高和脚架高可消减天线高误差。4.2.3 增加多余观浏 在进行 GPS 高程测量的过程中，应尽可能多地增加多余观测。因为增加多余观测，可 以消除或减弱相位整周模糊度解算的出错率， 增加相位整周模糊度解算的可靠性， 同时， 还 可以降低多路径效应的影响。4.2.4 数据采集 当与国家水准点联测或从新的 GPS 控制站建立新的水准点时，只能用静态或快速静态 测量技术，而不能使用动态或实时动态技术。在短时段观测时，应跟踪 5 颗以上的卫星， 这样可获得高精度的测量成果。当跟踪卫星数少于 5 颗时，需要较长的观测