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。
关键词二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，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’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
4.2.1 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，需要较长的观测时间，而且卫星的高度角应在15度以上，这样便可获得较好的观测结果。
5 小结
由于GPS测量具有速度快、精度高的特点，很快被广泛运用到各项测量工作中。但是，在GPS测高方面还有很多巫待研究解决的问题。笔者通过查阅大量的资料，并结合GPS测量的实际工作提出的一些想法和建议，仅供测量同仁参考。究竟GPS测高能达到何种等级，能否向GPS厂商及经销商所宣传的那样能用于控制测量、地形地籍测量、工程测量、海洋测量等领域，还有待于研究探讨。
声明①：文章部分内容来源互联网，如有侵权请联系删除，邮箱 cehui8@qq.com
声明②：中测网登载此文出于传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其描述，文章内容仅供参考。
加群提示：我们创建了全国32个省份的地方测绘群，旨在打造本地测绘同行交流圈，有需要请联系管理员测小量（微信 cexiaoliang）进群，一人最多只能进入一个省份群，中介人员勿扰
