GPS跨河水准测量技术的应用

GPS跨河水准测量技术的应用

摘要：在江河湖海、峡谷上建立的跨江、跨海的桥梁、隧道越来越多,而传统的高精度跨河水准测量手段,存在精度较低、效率不高等缺点,因此,在现有技术条件下,寻求一种精度优良、效率更高、不受环境影响而又易于推广的跨河水准测量方法,以取代传统高程传递手段势在必行。根据gps水准测量原理,研究gps跨河水准的高程拟合方法,采用二次曲线拟合模型对汕头苏某跨河水准gps测量的观测数据进行分析,提出几点对实际应用有意义的建议。

关键词：gps；跨河水准；应用

中图分类号：p228.4文献标识码：a文章编号：

引言：传统的跨河水准测量方法有光学测微法、倾斜螺旋法、经纬仪倾角法以及测距三角高程法等,这些方法受交通、气象等条件制约,工作效率较低。随着我国经济建设的迅猛发展,许多在建和拟建的特大桥梁所跨越的水面越来越宽,传统的测量方法显得越来越困难,所需费用也越来越高。

gps技术所具有的三维定位功能,以其快速、全天候测量的优点,为跨河高程测量提供了一种新的方法。利用gps技术进行跨河高程测量,必须将gps所测的大地高高差δh转换为工程使用的正常高高差δh,本文基于全球重力场模型(egm96),计算跨河点的高程异常

差δξ, 从而实现δh到δh的转换。

1、计算方法

gps高程测量得到的是gps 点间的大地高差,而水准测量得到的是水准点间的正常高差,如果在河流(或其他障碍物)两边分别施测gps 水准点a 、b 和c、d(图1) ,根据大地高和正常高之间的关系做相应的变形计算有:

δξab= (ξb-ξa) = (hb-ha) - (hγb-hγa) (1)

δξcd= (ξd-ξc) = (hd-hc) - ( hγd-hγc) (2)

其中, ha、hb、hc、hd为各点大地高,(hb-ha)、(hd-hc) 为gps 水准点之间的大地高高差,可通过gps测量得到; hγa、hγb、hγ、hγd为各点正常高,(hγb-hγa)、(hγd- hγc)为gps 水准点之间的正常高高差,可通过水准测量得到;ξa、ξb、ξc、ξd为各点高程异常值,δξab、δξcd为gps水准点之间高程异常差值。

由于跨河距离范围一般不大(数百米至数千米),可以认为局部

区域高程异常差值为0。据此可以通过河流(障碍物)两边已知gps 水准点间的高程异常变化, 采用简单模型对区域大地水准面变化

情况进行拟合,从而求得跨越河流的gps 水准点(上例中的bc 两点)之间的高程异常差值及正常高高差。

2、影响gps测高精度的因素及消减措施

(1)相位整周模糊度可靠性

相位整周模糊度解算是否可靠直接影响基线向量精度,要准确

得到相位整周数需要最好的算法。不同的gps后处理商业软件都有一定的局限性,我们使用的是gam it软件,同时有重复基线进行检

核。

(2)星历和参考坐标误差

虽然广播星历和参考点坐标(绝对定位获取)对短边的影响很小,但采用gps精密星历及理想的wgs-84参考位置可提高基线解算精度。

(3)多路径效应

多路径效应严重影响gps测量精度,严重时还将引起信号的失锁。它的影响既不能采用求差法来解决,也无法建立改正模型,削弱它的有效方法除选用较好的抑径天线、合理选择测站、远离反射物和干扰源外,观测时应有足够的时间(建议观测时间长度>3h) ,卫星几何位置的变化将能通过平均将其影响减小。

(4)电离层及对流层延迟

电离层延迟可通过模型改正、差分等方法来削弱,如采用双频观测量可消去大部分的电离层的影响。对流层延迟即使对于短基线,也将产生较大的影响。大多数软件可通过建模来计算折射数的干分量,但很难对多变的折射数的湿分量来进行建模。鉴于它的影响随着卫星高度角的减少而增大,建议对于短基线(特别是倾斜度大的

基线)作长时间观测外,在数据处理时将高度角小于20°的卫星删去。

(5)潮汐现象

潮汐现象包括陆地潮汐和海洋潮汐,它们对gps测高产生影响,

基线超过100km时影响能达到厘米级,一些软件能通过建模来消除这些影响。

(6)天线高

天线高是一个明显的误差来源,采取有效的天线高测量手段可使其精确到0.11mm。(7)天线相位中心如混合使用不同类型天线,其相位中心在高度上相差几厘米。当使用同一厂家的天线并检测其相位中心偏移量时,这个问题就变得很小。

(8)卫星及接收机钟钟差

卫星钟钟差在gps双差过程中已经被削除。接收机钟钟差在求差中被大大削弱,对于同一厂家生产的接收机,它的影响很小,可忽略不计。

(9)卫星质量和卫星图形的影响

由于这些影响大多不受操作者控制,所以观测时最好能进行卫星预报,选择最佳时段进行观测。

3、实验数据分析

汕头某项目穿越汕头海海域，若从已建好的礐石大桥或海湾大桥进行ⅱ等水准测量，一方面过桥精度无法保证，另一方面工作量巨大，因此必须采用跨河水准测量。跨河水准测量观测方法可根据障碍物的宽度和仪器设备情况，采用不同的观测方法，一般跨河水准测量方法有倾斜螺旋法、gps测量法、光学测微法及电磁波测距三角高程法等。倾斜螺旋法、电磁波测距三角高程法可适用于各种

视线长度,光学测微法适用于500m以下的视线长度。本项目选定跨河水准位置位于汕头国际集装箱码头，此处海面宽约3100米，所以拟采用gps测量法。跨河水准采用现场gps控制点布置，现场观测3小时，跨河水准布置如图所示：

采用gam it软件、精密星历对该gps网进行数据处理详细情况见下表：

从上表中可知,,在对gps网三维无约束平差后得到gs01至sa08高差δhgs01、sa08 =-0.1558m, 二等水准实测高差δhgs01、sa08 =-0.1509m，2种跨河水准测量方法(光学测微法、gps)所得的跨河点(gs01、sa08)高差只相差4.9 mm,符合《国家ⅰ、ⅱ等水准测量规范》要求。

4、结语

通过本次试验研究,对于gps跨河水准测量,我们有如下几点体会:

(1)采用gps技术进行跨河水准测量是一种新的尝试,本次试验结果达到了国家ⅱ等水准测量的精度指标,其作业与数据处理方法可提高工作效率并获得良好的经济效益,有一定的参考价值。

(2)在平坦地区,似大地水准面较为光滑,短距离跨河水准测量

可不考虑地面重力异常的中波分量及地形改正,但对于长距离或地形起伏较大的跨河水准测量在时就不应忽略。