GPS定位技術在精密高程測量中的應用

韓吉

摘 要：當前，GPS技術在我國的工程測量已經中得到了較為廣泛的應用，GPS技術具有測量準確性高、定位速度快、測量時間短等優勢，不但為快速定位和獲取數據帶來了方便，也為國家經濟建設和國防建設做出了很大貢獻。但仍存在一定的誤差，而如何減少誤差則十分重要。該文首先對GPS高層測量的基本原理進行了簡要的闡述，并對GPS精密高程測量的誤差來源進行了詳細的分析，并提出了針對這些誤差來源的相關應對措施。

關鍵詞：GPS定位 高程測量 精度

中圖分類號：P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0017-02

GPS技術即全球定位系統，該系統的原理通過衛星對地理位置信號的接受和發送，能夠借助衛星技術，并根據所得到的數據進行算法的計算，對地球上位置進行準確的判斷[1]。在精密高程測量當中，GPS技術的使用，可以通過將若干已知GPS點的正常高與GPS測量所得的大地高之間進行高程異常的比較，并通過相應的平面坐標和高程異常采用數值似合計算方法，擬合出區域的似大地水準面，即可解出各點高程異常值，進而求出各GPS點的正常高，從而獲得精確的數據，測量也更加準確。

1 GPS高程測量的原理

GPS高程測量的基本原理是通過GPS技術獲得測量點的大地高數據，然后通過水準測量獲得測量點的正常高的數據，大地高與正常高之間的差值被稱為高程異常，通過高程異常的數據，采用高程擬合算方案，能夠對似大地水準面進行擬合，從而得出測量區域內的高程[2]。

假設是通過GPS測得的大地高，H是相應的正常高，則該點的高程異常可以表示為：

通過GPS技術對高程進行擬合，需要對一定范圍內的測量點構建起似大地水準面，這就需要在測量的范圍之內布置一定數量的GPS測量點，并且應當在一定的密度范圍之內，通過這些測量點的水準聯測，取得測量點的大地高與正常高，從而獲得高程異常，進一步的構建出測量區域內的似大地水準面。

通過多年的發展，目前關于GPS 高程擬合模型的相關研究已經比較充足，比較常見的GPS擬合模型包括有曲線擬合模型、神經網絡擬合模型、曲面擬合模型等，這些擬合方法由于采用的算法不同，得出的結果可能會有所差別，結果的精度對受到測量點密度、測量點的數量與分布等的影響。

2 GPS精密高程測量的誤差來源

2.1 GPS測量誤差的影響

在GPS測量誤差中，主要有3個方面會產生一定的誤差。

首先，是衛星本身運行過程中產生的誤差，星歷誤差、衛星鐘差以及相對論效應等都會產生一定的影響。其次，是信號傳播產生的誤差。在信號傳播的過程中，可能會出現電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應等，前面兩者的信號誤差問題能夠采用相關的算法來進行優化與改進，而多路徑效應產生的誤差可以通過天線中的扼流圈來進行誤差的調整[3]。最后，是信號接收設備產生的誤差以及信號處理產生的誤差。在接收設備中，天線的整平和相位中心都可能產生誤差，而在信號處理中所采用的算法與模型也會有一定的誤差。前者能夠對天線的整平進行調整來降低誤差，而后者則需要采用精密星歷來降低誤差。還可以通過多次試驗來對數據處理模型的誤差進行降低。

2.2 水準點聯測誤差的影響

水準聯測的誤差會直接對擬合模型的結果產生影響。水準聯測是通過測量區域內的測量點的數據進行的，因此，水準測量的精度需要進行有效地控制，才能使得高程擬合的結果得到有效保障，所以，需要對測量點的粗差進行測量，并且基于穩健進行相關的估計與分析。

2.3 擬合模型誤差的影響

在對測量區域的數據進行擬合模型的建立時，擬合點的數量的確定和擬合點的分布密度會使得擬合結果的準確度產生影響。并且，擬合模型的選擇也會對最終似大地水準面是否能夠達到最佳的擬合程度產生影響。似大地水準面的形成主要是通過模型將測量點擬合成為一個曲面，其中需要采用相對負載的數學模型，而真正能夠與大地水準面保持完全一致是非常困難的，所以，擬合模型中會產生一定的誤差，并對GPS高程擬合結果產生影響。 因此，需要在進行測量的時候對高程擬合模型進行正確與適當的選擇，從而提高精密高程測量的準確度與可靠性。

3 GPS定位技術在精密高程測量中應用的誤差來源的應對

在采用GPS定位技術進行精密高程測量時，結果的精確度是非常重要的，因此，需要采用必要的手段和方式，來最大程度地降低過程中可能產生的各種誤差，將誤差降低到最小，或者是對某一環節的誤差進行徹底的消除[4]。從前文對GPS精密高程測量誤差的來源進行誤差的消解，是非常重要的方式。

3.1 使用精密衛星星歷

需要在選擇了合適的測量方案之后，對測量條件較好地觀測時段進行衛星的觀測，并且這樣能夠使得GDOP及PDOP值得到減小，并且能夠降低通過電力折射以及衛星信號誤差、載波相位周跳的誤差。

GPS衛星信號會受到電離層的影響，通過信號頻率的函數就能夠體現出來是否受到影響，將不同電磁信號波的使用頻率來進行對比，然后產生的影響也是不同的，由此來對觀測值進行進一步的修正。

同時，還可以使用不同的接收機來進行同時觀測，從而獲得更多地觀測值來獲得相關差值，同時還能夠對相似誤差的特性進行觀測。

3.2 構建觀測值改正模型

在觀測過程中還需要構建觀測值的改正模型，來對觀測誤差值進行進一步的修正。當前的觀測值改進模型主要有對衛星軌道偏差的改正模型，主要是將衛星軌道偏差數據改為參數常量。另外還有導航電文數據的改正模型，即電離層模型，還包括流層模型以及接收機鐘差改正模型。

3.3 觀測點的選擇

觀測點的選擇對于最后測量結果是非常重要的。因此，選擇觀測點的時候，應當尤其的注意觀測點是否有信號噪聲，并且受到信號的遮擋，或者是容易產生多路徑效應，這些位置都是不好的。選擇觀測點時，需要根據基線向量進行初始的計算，然后通過相位雙殘差曲線圖的相關內容應當進行再一次的測量，并且對于衛星在時間點中測量數據的失常，需要對相應的測量點進行刪除，并且重新進行基線向量的計算，對雙殘差曲線進行重新的計算，使得基線向量的指標是完全的符合規定的。

觀測點平差的計算，是建立在精度指標的標準之上的。工程設計之初，就應當對相關的數據確定精度的指標，并且能夠對于重復基線進行誤差的測量和計算，各個測量點需要同步開始測算，對分量閉合差和全長閉合差進行檢驗，如果超出標準的限度，進行檢測與分析，從而進行補測。

3.4 長時間、多時段的持續觀測

在對觀測點進行觀測的時候，采用的是靜態定位的方法，而對觀測點的基線測量需要耗費一定的時間，這個時間的長短也會對精確度產生一定的影響，通常來說，需要在不同的兩個時段來進行測量，每一次的測量需要持續1～3個小時為佳。

4 結語

GPS定位技術通過利用空間衛星的定位優勢，通過信號的處理來對地理空間上的測量點獲取所需的測量數據。與傳統的測量技術相比，GPS定位技術在測量結果的準確性方面具有先天的優勢，并且使用方法也更加方便，能夠對精密高程測量的精確率以及效率方面有所提高。

參考文獻

[1] 李征航，黃勁松.GPS 測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2005.

[2] 嚴義強.論GPS高程測量的影響因素與對策[J].測繪與空間地理信息，2013（8）：194-195.

[3] 張月.GPS控制網高程測量及精度評定[J].鐵道勘察，2011（4）：11-13.

[4] 趙杰.GPS高程測量技術在水利工程測量中的應用[J].廣東科技，2014（22）：123，134.