提高GPS定位技术高程测量精度的要素及方法

提高GPS定位技术高程测量精度的要素及方法
王炎
【摘要】GPS technology has been widely used and developed into a real 3D measurement tools.However,GPS technology elevation precision is still the GPS positioning key technology to research and solve ing GPS technology values of the elevation is the ground point in WGS84 coordinate system height,presently our country＇s practical vertical system USES is the normal.This paper analyzes the height calculation with GPS,discusses the methods and results.Based on the experiments,this method calculates the elevation abnormal value and solves the problem of elevation transformation.%GPS定位技术已经被广泛地运用并发展成为一个真正的三维测量工具,然而,GPS技术的高程精度仍然是GPS定位技术亟待研究和解决的问题,利用GPS定位技术求得的高程是地面点在WGS-84坐标系中的大地高,而目前我国的实用高程系统采用的是正常高。

本文通过对GPS定位技术求得的高程进行分析;对GPS定位技术求得的高程方法进行论述;提出了GPS定位技术求得的高程计算方法;解决了GPS定位技术求得的高程异常值,以实现大地高向我国实用高程的转换问题。

【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】3页(P56-58)
【关键词】GPS定位技术;高程精度;高程拟合;水准点
【作者】王炎
【作者单位】江西环境工程职业学院,江西赣州341000
【正文语种】中文
【中图分类】P228.4
全球定位技术系统（GPS）在我国得到广泛的应用和完善，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标测量工具系统。

国内外测量仪器厂商已开发和生产出各型号的单频，双频GPS接受机，GPS定位技术的应用前景十分诱人。

按照中华人民共和国国家标准GB／T18314－2001《全球卫星定位系统（GPS）测量规范》的规定和GPS应用实践表明，GPS测量边长精度在±（5mm ＋1×10－6 D）以内，高程精度在±（10mm＋5×10－6 D）以内，但这是在WGS－84大地坐标系中而言的。

换算到高斯平面坐标系统和正常高系统，则平面精度基本无损失。

而高程精度则有较大的精度损失。

随着GPS定位技术应用的日益普及，GPS定位技术已广泛应用于急需高精度高分辨率大地水准面的建立和精化工作，加上丰富的GPS水准资料已经用于大地水准面的确定或作为确定大地水准面的控制条件，导致了在这一领域的研究非常的活跃。

GPS测量是几何测量。

用通俗的话来说：就是相当于“后方交会”。

所得的高程是相对于参考椭球体的大地高h。

然而，常规水准测量得到的是正常高H，它是相对于大地水准面的。

两者之差为大地水准面高N：
N值与参考椭球的定位精度有关，对于定位优良的参考椭球，其值小于100m，若为相对定位，则有：ΔH＝Δh－ΔN
两种高差相差大地水准面高的变化，变形监测时，我们感兴趣的是点的高程变化。

实际工作中，一般可认为两周期观测间大地水准面没有显著变化。

因此，GPS所测的变形和水准测量技术所得的结果是一致的。

但是，对于大多数工程要用到正高高差，用GPS测量就需要确定大地水准面高的变化。

由GPS和水准面测量共测点所得的为已知值，内插其他GPS所测点高程异常，从而获得各点的正常高。

这是GPS测定高程控制的基本方法。

众所周知，GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三种类型：
（1）与卫星有关的误差
主要包括a.卫星星历误差，b.卫星钟的误差，c.地球自转的影响和相对论效应的影响等。

（2）信号传播误差
因为GPS卫星是在距地面2万公里的高空中运行，GPS信号在传播时要经过大气层，因此，信号传播误差主要是信号通过电离层和对流层的影响。

此外，还有信号传播的多路径效应的影响。

3观测误差和接受设备的误差
通常可采用适当的方法减弱或消除这些误差的影响。

如建立误差改正模型对观测值进行改正，或选择良好的观测条件。

采用恰当的观测方法等。

传统的国家大地控制网，其高程主要由三角高程方法取得。

GPS测量得到的是实时三维坐标，为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。

由此就有GPS高程拟合水准点正常高的问题。

前面已讲到，我国高程系统采用的是正常高（或正高）系统。

正常高（或正高）是由地球重力场定义的高程参考面，即似大地水准面（或大地水准面）起算的。

GPS测定的是大地高差，获得的是大地高而不是正常高，这是用GPS测定高程的主要问题，GPS控制网的高程精度取决于GPS网中水准点的选择与分布，在GPS网中除利用已有的水准点高程外，还应根据需要适当进行高程联测，在GPS测量规范
中有这方面的具体要求。

水准重合点的分布对于拟合结果有着至关重要的影响。

原则上要求水准重合点的布设应尽可能的均匀，而且在网的边界上布设水准重合点。

这样可以大大降低内插的非重合点上的高程异常的不可靠性。

高程异常的确定不仅取决于地球内部密度变化，而且还取决地形起伏等各种因素，所以大范围GPS高程异常分布的严格确定是十分困难的，因此，用一种数学函数
去拟合测区中给定的高程异常点，其模型误差是不可避免的。

选取模型误差较小的拟合方程来描述其高程异常分布是一种相对合理的方法。

设点的高程异常ξ与xi（或yi或拟合坐标）存在函数关系（i＝0，1，2，……n）可以用下面n次多项式此处模型应包含x、y的模型，而不是仅仅有x为自变量。

在已知点处的残差Ri＝ξ（xi）－ξi平方和为最小的条件解出ai，即可按（1）式
求出任一点的高程异常值。

4.1 GPS高程的精度评定［4］
为了能客观地评定GPS高程异常计算的精度，在布设几何水准联测点时，应适当
多联测几个GPS点，其点位也应均匀地分布全网，以作外部检核用。

（1）内符合精度
根据参与与拟合计算已知点的ξi值与拟合值ξ′i用V i＝ξ′i－ξi求拟合残差V i，按下式计算GPS高程拟合计算的内符合精度u
根据检核点ξi值与拟合值ξ′i之差，按下式计算GPS高程的外符合精度M
式中，n为检核点数。

（3）高程精度评定
根据检核点至已知点的距离L（km），按几何水准限差计算检核点拟合残差的限
值（见表1），将残差与限值比较，评定GPS高程精度。

2008年我校在广东某地建有一个GPS控制网，测区位于珠三角中部，地形复杂。

地面高程7m－18m，一般在12m左右，总体地势为西北略高于东南，运河两侧
较为低洼。

该GPS控制网共有15个点与水准点重合，控制面积为150km2，进
行GPS高程拟合时，采用二次曲面拟合，结果列于表2。

部分GPS点的高程采用GPS拟合的方法求得。

其具体实现步骤如下：在获得最佳三角形的条件下自动将GPS测点联结成三角形网，最佳条件是在使用周围邻近的GPS测点组成三角形时，应尽可能确保每个三角形都是锐角三角形或三边近似相等。

（1）为了得到GPS点的正常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对
部分GPS点联测水准高程。

（2）在对GPS高程转换方法与技术分析的基础上，对GPS高程拟合进行总体分
析设计，实现GPS高程转换的自动化和智能化，且拟合精度满足相应系统水准测
量精度要求。

（3）为减少粗差对高程拟合结果的影响，高程拟合应选择多个拟合方案进行，以剔除影响拟合精度的粗差。

实例表明，在恰当选取函数的前提下，二次曲面能取得较好的GPS高程拟合精度。

而且容易实现，为GPS高程拟合精度提供保障。

【相关文献】
［1］周忠谟，易杰军，周琪.GPS卫星测量原理与应用［M］.北京：测绘出版社1997.226－237. ［2］李庆海，崔春芳.卫星大地测量原理［M］.北京：测绘出版社.1989，251－271.
［3］王忠良，朱达成.全球定位系统（GPS）测量规范［M］.北京：测绘出版社.2001，11－15. ［4］中华人民共和国国家标准.全球定位系统（GPS）测量规范［S］.北京：国家质量技术监督局，2001.。