ＧＰＳ高程測量中的影響因素和處理措施

[摘要]在介紹GPS高程測量原理的基礎(chǔ)上，分析GPS高程測量中的影響因素，如天線高、衛(wèi)星分布不對稱、基線起算點(diǎn)的坐標(biāo)誤差、多路徑效應(yīng)等，并分析相應(yīng)處理措施。

[關(guān)鍵詞]GPS高程測量 影響因素 處理措施

中圖分類號(hào)：TG8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0320006－01

GPS憑借其高精度、全天候、全天時(shí)、無需通視等優(yōu)點(diǎn)，在大地測量與工程測量等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。通過GPS技術(shù)求得的成果屬于WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，即為空間直角坐標(biāo)（X，Y，H），與其相應(yīng)的平面坐標(biāo)可達(dá)到相當(dāng)高的精度，基本上能滿足各種工程建設(shè)的精度要求，而大地高H精度相對較低，以前沒有引起足夠的重視。隨著“高程現(xiàn)代化”進(jìn)程的推進(jìn)，GPS測量技術(shù)不斷完善和應(yīng)用設(shè)備的不斷改進(jìn)，GPS的垂直分量（H）精度也得以提高，如何控制GPS高程測量中的影響因素，有效利用GPS測量的高程信息具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、GPS高程測量的原理

高程測量的基準(zhǔn)面就是指地面點(diǎn)高程的起算面。由于地球表面是一個(gè)曲面，所以高程起算面也是一個(gè)曲面。常用的高程基準(zhǔn)面有大地水準(zhǔn)面、似大地水準(zhǔn)面和橢球面，根據(jù)不同的高程基準(zhǔn)面就有不同的高程系統(tǒng)。若網(wǎng)中有一點(diǎn)或多點(diǎn)具有精確WGS-84大地坐標(biāo)系的大地高程，則在GPS網(wǎng)平差后，可得各GPS點(diǎn)的WGS-84大地高程。但在實(shí)際應(yīng)用中，地面點(diǎn)高程一般采用正常高程系統(tǒng)。因此，應(yīng)找出GPS點(diǎn)的大地高與正常高的關(guān)系，并采用一定模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在一個(gè)GPS網(wǎng)中，經(jīng)過對此網(wǎng)進(jìn)行GPS平差后，可以得到網(wǎng)中各點(diǎn)的大地高Hi，利用既有GPS大地高H又有正常高h(yuǎn)的多個(gè)已知點(diǎn)（簡稱公共點(diǎn)），按（1）式求出這些公共點(diǎn)的ξ值。然后由公共點(diǎn)的平面坐標(biāo)和ξ值，采用數(shù)學(xué)擬合的方法，擬合出測區(qū)內(nèi)的似大地水準(zhǔn)面。再由其它GPS點(diǎn)（待求點(diǎn)）的平面坐標(biāo)（xi，yi）擬合（內(nèi)插）出該點(diǎn)的高程異常值ξi，則按（2）式可求得GPS網(wǎng)中各點(diǎn)的正常高h(yuǎn)i。

Ξ=H-h（1）

Hi=Hi-ξi（2）

因?yàn)楫?dāng)認(rèn)為已知大地高H無誤差時(shí)，而由水準(zhǔn)測量得到的正常高h(yuǎn)也有很高的精度，選用合適的數(shù)學(xué)模型可以擬合較高精度的似大地水準(zhǔn)面。由GPS網(wǎng)得到的大地高Hi具有相當(dāng)高的精度，所以由式（2）可以求得高精度的正常高h(yuǎn)i。GPS水準(zhǔn)有兩個(gè)作用：一是精確求定GPS點(diǎn)的正常高h(yuǎn)i；二是求定高精度的似大地水準(zhǔn)面。

二、GPS高程測量中的影響因素

1．天線高。天線高是一個(gè)明顯的誤差來源。RTK系統(tǒng)通過使用定長的流動(dòng)桿來減少這種誤差的可能性，如果使用三角架，由于高度經(jīng)常變化，所以外業(yè)要求必須對天線高測量進(jìn)行仔細(xì)復(fù)核。另一個(gè)不太明顯的問題是天線相位中心變化，天線的機(jī)械中心與其電子相位中心一般不重合。而且電子相位中心是變化的，它取決于接受信號(hào)的頻率、方位角和高度角。因此，不僅需要測量電子相位中心的平均位置相對于天線機(jī)械中心的變化，而且要定義整個(gè)可見天球的相位中心的變化。

2．衛(wèi)星分布不對稱。在確定平面位置時(shí)可以通過對觀測時(shí)段及對衛(wèi)星的選擇來保證衛(wèi)星分布的基本對稱，從而消除或減弱距離測量中偏差及衛(wèi)星信號(hào)傳播過程中的大氣延遲誤差、星歷誤差等誤差對平面位置的影響。然而對于測高來說所有被測衛(wèi)星均在地平面上，衛(wèi)星分布總是不對稱的。許多不對稱的誤差難以消除。這是高程精度低于平面位置精度的一個(gè)重要原因。由于衛(wèi)星分布不對稱是GPS測量是的一種固有特征，是由GPS測量本質(zhì)決定的。

3．基線起算點(diǎn)的坐標(biāo)誤差。在GPS測高程時(shí)，解算基線向量時(shí)需用到該基線的一個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)作為起算點(diǎn)數(shù)據(jù)。該起算點(diǎn)的坐標(biāo)誤差會(huì)影響基線向量的解算結(jié)果。當(dāng)起算點(diǎn)坐標(biāo)有l(wèi)0m的誤差將會(huì)使基線在垂直面上旋轉(zhuǎn)2.9×10-7rad，即對l0km長的基線向量的高差產(chǎn)生2.9mm的誤差。解算基線向量時(shí)起算點(diǎn)的坐標(biāo)如采用單點(diǎn)定位的結(jié)果，則坐標(biāo)的誤差有可能大于l0m，從而影響高成分量的精度。

4．多路徑效應(yīng)。多路徑效應(yīng)是指測站附近反射物反射來自衛(wèi)星的信號(hào)與衛(wèi)星直接發(fā)射的信號(hào)同時(shí)被接收機(jī)接受，這兩種信號(hào)產(chǎn)生相互影響，使其觀測值偏離其真值，產(chǎn)生多路徑誤差。多路徑效應(yīng)是影響實(shí)時(shí)GPS測量RTK定位測量中心最嚴(yán)重的誤差。多路徑效應(yīng)的影響分為直接的或間接的，并能對三維坐標(biāo)產(chǎn)生分米級的影響。在有足夠的觀測時(shí)間時(shí)，衛(wèi)星幾何位置的變化將能通過取平均值的方法將其影響減小，然而當(dāng)觀測時(shí)間較短時(shí)，多路徑效應(yīng)影響將變得很大。多路徑效應(yīng)主要取決于天線周圍的環(huán)境，一般誤差為5cm，高反射環(huán)境下可達(dá)19cm，其周期一般為5-20min，這對RTK的移動(dòng)站是個(gè)嚴(yán)重的問題。

三、GPS高程測量應(yīng)采取的處理措施

首先，GPS高程測量應(yīng)以高精度基準(zhǔn)網(wǎng)為參考。為了確保GPS高程測量的精度，必須使區(qū)域高程網(wǎng)與高精度的國家網(wǎng)聯(lián)系起來。一個(gè)工程項(xiàng)目的高程區(qū)域網(wǎng)中應(yīng)該以高精度基準(zhǔn)網(wǎng)中的三個(gè)或三個(gè)以上的高程點(diǎn)為基準(zhǔn)。在GPS高程測量設(shè)備方面，應(yīng)使用雙頻GPS接收機(jī)，且型號(hào)最好相同。因?yàn)殡p頻接收機(jī)能消減由于電離層的影響而產(chǎn)生的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)延。型號(hào)相同可使GPS天線相位中心偏差最小，且天線高固定。固定的天線高和腳架高可消減天線高誤差。

對于衛(wèi)星分布不對稱所造成的誤差，由于其是GPS測量是的一種固有特征，是由GPS測量本質(zhì)決定的。我們無法改變這一事實(shí)，因而只能通過減小測距誤差、大氣延遲誤差的殘差及星歷誤差等誤差來源來減小由于衛(wèi)星分布不對稱所造成的影響。此外對基線的長度給予適當(dāng)?shù)南拗剖够€兩端所產(chǎn)生的誤差具有更好的相關(guān)性也可大大削弱衛(wèi)星分布不對稱對基線兩端的高差的影響。

對于基線起算點(diǎn)的坐標(biāo)誤差的解決辦法有兩個(gè)：一是解算出基線向量后再將網(wǎng)中所有測站的單點(diǎn)定位結(jié)果通過基線向量傳遞到同一點(diǎn)上去中數(shù)后作為全網(wǎng)的起算坐標(biāo)，然后再通過基線向量求出各測站較為準(zhǔn)確的測站坐標(biāo)重新解算基線向量（這種方法的精度取決于網(wǎng)中的測站數(shù)及觀測的時(shí)段數(shù)，一般可達(dá)到米級精度）；二是與附近的已知點(diǎn)聯(lián)測求得較為精確的起算點(diǎn)坐標(biāo)。此外也可與鄰近大地點(diǎn)聯(lián)測，將測得的國家坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)作為起算點(diǎn)坐標(biāo)，其精度也可達(dá)到米級。

對于多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差，可通過下列措施予以削弱：（1）選擇地形開闊、沒有反射面的點(diǎn)位；（2）基地站附近鋪設(shè)吸收電波的材料；（3）采用扼流圈天線；（4）使用絕對檢驗(yàn)過的天線，而且要把象位中心變化同多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差分開；（5）接收機(jī)內(nèi)采用專門濾波器，可削弱數(shù)據(jù)中的多路徑效應(yīng)產(chǎn)生的誤差。

在數(shù)據(jù)采集方面，當(dāng)與國家水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測或從新的GPS控制站建立新的水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，只能用靜態(tài)或快速靜態(tài)測量技術(shù)，而不能使用動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)

技術(shù)。在短時(shí)段觀測時(shí)，應(yīng)跟蹤5顆以上的衛(wèi)星，這樣可獲得高精度的測量成果。當(dāng)跟蹤衛(wèi)星數(shù)少于5顆時(shí)，需要較長的觀測時(shí)間，而且衛(wèi)星的高度角應(yīng)在15度以上，這樣便可獲得較好的觀測結(jié)果。

總之，在GPS高程測量中還有很多亟待研究解決的問題，還需要我們進(jìn)一步的研究探討。

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作者簡介：

邱志剛，男，大學(xué)本科，助理工程師，新疆大學(xué)，主要從事測繪工作，在新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院從事公路測量等方面的工作。