GPS高程测量 [浅析GPS静态高程测量的方法及应用]
时间：2019-04-01 03:22:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：本文结合作者实际工作经验，介绍了GPS静态测量的基本原理，探讨了GPS静态测量的方法，并结合应用实例的实际观测结果和四等水准测量高程的比对，仅供大家参考借鉴。
关键词：GPS；静态测量；替代；四等水准测量；趋势
Abstract: Combined with the author"s practical work experience, this paper introduces the GPS static measuring basic principle, discusses the GPS its method, and comprises the actual observation results combining with the application examplewith the four leveling alignment,for everybody reference.
Key words: GPS; static measurement; replacement; four leveling; trend
中图分类号：TU198文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
近年来，GPS (G1oba1 P0sitioning System)定位技术在我国工程勘查领域得到了广泛应用，对各行业的建设发展起了积极地推动作用。有关 GPS 测量的理论和技术日趋成熟，所测点的平面坐标精度已得到认证，GPS 精密大地高测定精度已达到毫米级，但是在实际工作中，常利用的高程是正常高，而不是大地高，因为我国的高程网是采用以铅垂线和水准面为依据的水准测量建立的，而 GPS 测量是在 WGS-84 地心坐标系上进行，它所提供的高程是所测点在 WGS-84 椭球体上的大地高，所谓大地高程就是地面点沿椭球法线至椭球面的距离，而水准测量则是以水准原点（其高程为72.260 m）为基准相对于平均海水面的海拨高，即地面点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。目前，GPS 平面控制网在大量工程中已经得到了广泛的运用，但是 GPS 高程却运用得不够，人们期望着能够用GPS 高程测量替代传统的水准测量，从而达到减少野外水准测量的工作量的目的。本文对 GPS 高程测量的原理和方法进行了初步的探讨，并结合实测量 GPS 高程测量应用的组成 GPS 水准混合网进行平差，并将其精度与四等水准测量精度指标进行比较，经实际工作验证，拟合出的正常高程能够满足一般工程四等水准测量精度要求，在一定程度上降低了生产成本。
2 GPS定位系统的组成
GPS(全球定位系统)为美国第二代卫星导航系统。GPS定位系统由卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面部分)、GPS接收机(用户设备部分)组成。星座由24颗卫星组成,其中2l颗GPS工作卫星,3颗备用卫星,大致均匀分布在6个近似圆的轨道面上;地面监控系统是整个系统的中枢,由5个监测站、1个主控站、3个注入站组成。分布在美国本土和科罗拉多以及三大洋的美国军事基地,它主要的功能是:完成对GFS卫星信号的实时监测,向每颗卫星提供其编写并播发的导航电文,包括卫星星历(即一系列描述卫星运动及其轨道参数的数据)、卫星钟差和大气修正参数等;GPS接收机是能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备,由主机、天线和电源组成。GPS卫星发送的导航定位信号即GPS信号,是一种全球共享的信息资源。各类用户,在任何地点、任何气候、任何时刻均可用GPS接收机接收信号,进行导航定位测量。
3 GPS 高程系统基本原理
3.1 GPS 高程转换
由 GPS 相对定位得到的三维基线向量，通过 GPS 网平差，可以得到高精度的大地高差。如果网中有一点或多点具有精确的 GS-84 坐标系的大地高程，则在 GPS 网平差后，可求得各 GPS 点的 GS-84 大地高 H84。大地高是由地面点沿通过该点的椭球面法线到参考椭球面的距离，是一个几何量，不具有物理上的意义。它通过与水准测量资料、重力测量资料等相结合，来确定测点的正常高，具有重要的意义。但在实际应用中，地面点高程采用正常高系统。地面点的正常高 Hr 是地面点沿铅垂线至似大地水准面的距离。正常高系统为我国通用的高程系统有1956 年黄海高程系和 1985 国家高程基准，都是正常高系统。这种高程是通过水准测量来确定的。
大地高与正常高之间的关系式：
Hr =H84-sGPS
高程转换的关键是求高程异常值 s，求得 s 之后才能根据以上公式将 GPS 大地高转换成我国目前实用的正常高，才能在实际工作中加以应用。
3.2 拟合方法转换
3.2.1 二次曲面拟合法是在拟合区域内的水准重合点之间，按削高补低的原则平滑出一个二次多项式曲面来代表拟合区域的似大地水准面，供内插使用。拟合范围越大，高程异常的变化越复杂，削高补低的误差也越大。平面拟合法使用范围比较窄，要求拟合区域地势平坦区域范围较小，似大地水准面接近一个平面，它通过少量的已知固定点拟合出简单的平面模型来近似表示似大地水准面。多面函数拟合是一种纯数学曲面逼近方法，它的出发点是在每个数据点上同各个已知数据点分别建立函数关系 (这种关系表现为一规则的数学曲面)，将这些有规律的数学曲面按一定的比例迭加起来，就可拟合出任何不规则的曲面，且能达到较好的拟合效果。待定点是核函数和求解出的迭加系数的线性函数。很明显，多面函数的解算具有最小二乘配置和推值法的性质。最小二乘配置法中的协方差函数是一种统计函数，在高程异常资料稀少的地区很难确定。而多面函数的核函数可以按几何关系确定，它是距离的函数，且顾及了待定点和已知点间的相关关系，起着权系数矩阵的作用。
3.2.2 采用的已知水准点越多，拟合精度就越高。在实际应用中，对于线状的测区，平均每 4～8km 应该有一个几何水准点参与拟合；对于面状测区平均每10km 应该有一个几何水准点参与计算，这些点应尽可能包围所有的拟合点。在地形复杂的测区，应适当增加水准重合点观测。
3.3 测量实例
为论证GPS 高程测量的可靠性，我们在实际工程应用中的 GPS 控制网联测了四等水准测量，布设了共12 点 E 级 GPS 点控制网，已充分考虑 GPS 网的图形强度，使 GPS网网型合理，以提高 GPS 点的测量精度。观测仪器以南方9600 型 GPS 12 台以静态方式按同步测量一小时以上观测，同步图形之间采用边连接或网连接的方式进行观测，GPS接收有效观测卫星数均超过 4 颗，卫星截止高度角采用 150，采样间隔为 5 秒，卫星分布几何图形因子（PDOP 值）均小于 8，观测成果以南方随机软件进行解算和拟合，其成果精度符合规范的要求。在平差解算时以曲面拟合求算 GPS 高程，曲面拟合时，GPS 网内使用了四个水准联测点作起算，四个水准联测点分布于四个测区，能均匀分布和控制四个测区，同时GPS 网内的拟合高程以 8 个点的Ⅳ等水准高程作校核，其基本情况如下表所示；
从上表可见，GPS 拟合高程达到Ⅳ等水准精度。
4 结论
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。特别是在山岭丘陵地区，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。采用的已知水准点越多，拟合精度就越高。在实际应用中，一定要增加已知水准点作为 GPS平差网内的未知点和其求出的拟合高程作校核，以保证其他未知控制点拟合高程的可靠性，则完全可以用 GPS 高程拟合的方法代替四等水准测量。
参考文献：
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