ＧＰＳ測高的限制性與可行性研究

邵曉茹

摘要：本文討論了GPS測高的制約因素，包括GPS測量、大地水準面和高程基準面問題，并從變形監測、實時GPS測量和機器監測與導引三個方面論述了GPS測高的可行性。

關鍵詞：GPS；測高

實際上，GPS測高主要包括三個方面：使用GPS測量橢球高；運用一個大地水準面模型； 將最終要得到的正常高（或正高）擬合到高程基準面上。

以上三個方面限制了運用GPS測量高程，它們依GPS測量的范圍不同而影響大小也不一樣，在本文后面的部份將作詳細探討。

GPS測量方面的限制

相位整周模糊度解算是否可靠直接影響三維坐標，對短邊應用快速靜態和實時動態（RTK）技術時，必須準確得到相位整周數，由于RTK常常使用最小量的數據，即使最好的算法有時也求解整周模糊度錯誤，為了發現這些能達到米級的錯誤，需通過重復觀測來獲取多余觀測量。

星歷和參考坐標對三維坐標將產生幾個PPM的影響，假定廣播星歷的質量一直保持如最近那般高，它對短邊的影響將達到最小，但在世界上某些地區要獲得一個理想的WGS84參考位置（± 10M或更好）卻存在著問題。

多路徑效應的影響分為直接的或間接的，并能對三維坐標產生分米級的影響。間接影響是指影響求解整周模糊度。在有足夠的觀測時間時，衛星幾何位置的變化將能通過平均將其影響減小，然而當觀測時間較短時，例如快速靜態和RTK，多路徑效應影響將變得很大。盡管硬件和軟件能降低多路徑效應影響，選擇好的站點避免多路徑效應以及增加多余觀測以發現殘存的影響仍然是很重要的。

電離層也對三維坐標產生影響。電離層的影響在基線長于20KM時將變得很大，雙頻觀測量能消去大部份的電離層的影響。這種影響在地極處以及地磁赤道附近要比其它地方大些并隨太陽周期變化而變化。因此，在某些地區和某個時間，電離層的影響很大。即使對于短邊，對流層延遲也將產生很大的影響，可達到幾厘米。大多數軟件可通過建模來計算折射數的干分量，但很難對多變的折射數的濕分量來進行建模。對于長基線，可采集數小時的數據，對流層延遲的濕分量能通過規則的時間間隔加以解決（例如每小時一次延遲），但對于短基線只有少量數據可供計算對流層延遲。軟件只能對干分量進行建模計算，也只能希望其他殘留影響很小。所以對于傾斜度很大的基線，即使邊很短也需作長時間觀測，以獲得可靠的對流層延遲。

潮汐現象、包括陸地潮汐和海洋潮汐也對GPS測高產生影響，基線超過100KM時影響能達到厘米級，一些軟件能通過建模來消除這些影響。

天線高是一個明顯的誤差來源。RTK系統通過使用定長的流動桿來減少這種誤差的可能性，如果使用三角架，由于高度經常變化，所以外業要求必須對天線高測量進行檢查。

另一個不太明顯的問題就是混合使用各種有效相位中心在高度上相差幾厘米的不同的天線。國際GPS地球動力學服務組織（IGS）在它的永久跟蹤網中使用了各種不同類型的天線，并已發展了模型。當使用同一廠家的天線時，這個問題就變得很小。然而當使用他方基站數據時，就會出現混合使用情況，運用RTK就會導致更多地作用基站數據以及混合使用天線。

大地水準面模型方面的限制

GPS測量得到的是橢球高，為了獲得正常高（H），我們需知道高程異常值（N）。對長距離，GPS測量也能非常有效地得到橢球高，但會遇到大地水準面和高程基準面方面的問題。在一些地區，全球重力場模型（GGM）是唯一可使用的大地水準面模型。一些最近的全球重力場模型以擴展的球體為模型，能較好地解決半度（55KM）范圍內的問題。然而，即使國家級模型（例如EGM96），其絕對精度也限制在米級，相對精度限制在幾分米。

為了提高高程精度，可以通過計算當地大地高模型并采用內插技術。長波部份由GGM計算，短波部份由當地重力值計算。精度的好壞取決于當地重力值的可靠程度。在高差很大地質情況復雜的地區，大地水準面模型精度會很低，近來使用的衛星測高法和DEMS技術也能提高高程精度。然而，大地水準面精度不是唯一的限制性因素，它與高程基準面的聯合使用也必須被考慮。

高程基準面方面的限制

在很多地區，使用已知的正常高或正高來定義高程基準面。有時，定義了多個高程基準面，每一個高程基準面都由一個原點（例如驗潮站觀測點）推算，該點的高程值由一個或幾個潮汐的平均海水面值來決定。

如果海洋測量或水準測量有誤，將會使高程基準面的基準偏離真實的重力模型，可以增加一個曲面到大地水準面模型加以解決。為了檢核高程基準面，常常使用GPS觀測至少三個高程基準面點來實現。對于現代的高程基準面，改進對高程信息的管理，許多數據庫僅僅貯存了正常高（或正高），然而高程基準面漸漸地變為正常高和橢球高的結合物，因此，必須像對待其他一些在特定時間有特定質量的觀測值一樣對待大地水準高。如果不仔細管理這些不同的數據類型，將會使問題變得模糊和復雜，將使維護和改進高程基準面變得困難。

變形監測方面的應用

并不是所有的GPS測量都需得出正常高，對于豎向變形監測，可以不把大地水準面和橢球面聯系起來考慮。GPS非常適合運用于變形監測的自動重復觀測。設計一個GPS監測方案需考慮以下問題：

●整周未知數解

●星歷和參考點質量

●多路徑效應

●對流層影響

●潮汐現象

●天線問題

考慮到需要聯測變形區域內的各個點，需采取靜態測量模式作長時間觀測，即使對于幾百公路里的基線，如果觀測幾天并用專門的數據處理軟件，精度也能達到厘米級。一個更高要求的GPS測高方面的應用要求精度得到毫米級，可以用于監測與全球變暖有關的海水面變化。想了解更詳細的內容，參見Neilan et la.(1997)

實時GPS測量方面的應用

RTK的高效性對高度測量有很大的吸引力，為了達到厘米級的高程精度，外業程序要求盡量減少許多的誤差來源。RTK適合于合適的基線長度和幾個基準點的情況。如果觀測時間長些，就相當于是實時的快速靜態，那么就提高了精度，又保持了實時的優點，對大面積來說，大地水準面模型和高程基準面的擬合精度非常重要，很多系統能在實時處理中使用大地水準面模型。然而，當地的地形便已足夠建立模型，一些廠家允許做野外校正，通過后控制點能實時建立三維模型。

機器監測和導引方面的應用

很多GPS廠家正著手改進RTK技術以應用于農業方面的自動監測和導引，以及地殼移動和建筑設備。這些應用同樣受RTK應用一樣的誤差影響。高精度測量應用于工程方面的一個主要原因就是建筑過程中的各個環節生了誤差累積。然而，如果機器通過當地控制只需一個步驟就能定位，誤差就會變小。另一方面，一些應用所要求的精度達到了GPS實時測量所能達到的極限，另外受教育程度不高的人通常用不好這些高自動化系統。希望測量人員能意識到這些在連接和評價控制網，建立基準點以及進行綜合質量監測過程中會遇到的問題。

GPS測高的精度

GPS實際測量人員想知道的是：使用快速靜態方法和RTK技術到底能達到什么樣的精度？下表以Trimble 4800GPS為例，分不同作業模式以及RTK的不同數據更新率列出了不同邊長的相應誤差，并給出三倍中誤差作為允許誤差。