ＧＰＳ測(cè)高的限制性與可行性研究

邵曉茹

摘要：本文討論了GPS測(cè)高的制約因素，包括GPS測(cè)量、大地水準(zhǔn)面和高程基準(zhǔn)面問題，并從變形監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)GPS測(cè)量和機(jī)器監(jiān)測(cè)與導(dǎo)引三個(gè)方面論述了GPS測(cè)高的可行性。

關(guān)鍵詞：GPS；測(cè)高

實(shí)際上，GPS測(cè)高主要包括三個(gè)方面：使用GPS測(cè)量橢球高；運(yùn)用一個(gè)大地水準(zhǔn)面模型； 將最終要得到的正常高（或正高）擬合到高程基準(zhǔn)面上。

以上三個(gè)方面限制了運(yùn)用GPS測(cè)量高程，它們依GPS測(cè)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(xì)探討。

GPS測(cè)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(biāo)，對(duì)短邊應(yīng)用快速靜態(tài)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)時(shí)，必須準(zhǔn)確得到相位整周數(shù)，由于RTK常常使用最小量的數(shù)據(jù)，即使最好的算法有時(shí)也求解整周模糊度錯(cuò)誤，為了發(fā)現(xiàn)這些能達(dá)到米級(jí)的錯(cuò)誤，需通過重復(fù)觀測(cè)來獲取多余觀測(cè)量。

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

多路徑效應(yīng)的影響分為直接的或間接的，并能對(duì)三維坐標(biāo)產(chǎn)生分米級(jí)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(cè)時(shí)間時(shí)，衛(wèi)星幾何位置的變化將能通過平均將其影響減小，然而當(dāng)觀測(cè)時(shí)間較短時(shí)，例如快速靜態(tài)和RTK，多路徑效應(yīng)影響將變得很大。盡管硬件和軟件能降低多路徑效應(yīng)影響，選擇好的站點(diǎn)避免多路徑效應(yīng)以及增加多余觀測(cè)以發(fā)現(xiàn)殘存的影響仍然是很重要的。

電離層也對(duì)三維坐標(biāo)產(chǎn)生影響。電離層的影響在基線長(zhǎng)于20KM時(shí)將變得很大，雙頻觀測(cè)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(yáng)周期變化而變化。因此，在某些地區(qū)和某個(gè)時(shí)間，電離層的影響很大。即使對(duì)于短邊，對(duì)流層延遲也將產(chǎn)生很大的影響，可達(dá)到幾厘米。大多數(shù)軟件可通過建模來計(jì)算折射數(shù)的干分量，但很難對(duì)多變的折射數(shù)的濕分量來進(jìn)行建模。對(duì)于長(zhǎng)基線，可采集數(shù)小時(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)流層延遲的濕分量能通過規(guī)則的時(shí)間間隔加以解決（例如每小時(shí)一次延遲），但對(duì)于短基線只有少量數(shù)據(jù)可供計(jì)算對(duì)流層延遲。軟件只能對(duì)干分量進(jìn)行建模計(jì)算，也只能希望其他殘留影響很小。所以對(duì)于傾斜度很大的基線，即使邊很短也需作長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，以獲得可靠的對(duì)流層延遲。

潮汐現(xiàn)象、包括陸地潮汐和海洋潮汐也對(duì)GPS測(cè)高產(chǎn)生影響，基線超過100KM時(shí)影響能達(dá)到厘米級(jí)，一些軟件能通過建模來消除這些影響。

天線高是一個(gè)明顯的誤差來源。RTK系統(tǒng)通過使用定長(zhǎng)的流動(dòng)桿來減少這種誤差的可能性，如果使用三角架，由于高度經(jīng)常變化，所以外業(yè)要求必須對(duì)天線高測(cè)量進(jìn)行檢查。

另一個(gè)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(guó)際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)組織（IGS）在它的永久跟蹤網(wǎng)中使用了各種不同類型的天線，并已發(fā)展了模型。當(dāng)使用同一廠家的天線時(shí)，這個(gè)問題就變得很小。然而當(dāng)使用他方基站數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)混合使用情況，運(yùn)用RTK就會(huì)導(dǎo)致更多地作用基站數(shù)據(jù)以及混合使用天線。

大地水準(zhǔn)面模型方面的限制

GPS測(cè)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(duì)長(zhǎng)距離，GPS測(cè)量也能非常有效地得到橢球高，但會(huì)遇到大地水準(zhǔn)面和高程基準(zhǔn)面方面的問題。在一些地區(qū)，全球重力場(chǎng)模型（GGM）是唯一可使用的大地水準(zhǔn)面模型。一些最近的全球重力場(chǎng)模型以擴(kuò)展的球體為模型，能較好地解決半度（55KM）范圍內(nèi)的問題。然而，即使國(guó)家級(jí)模型（例如EGM96），其絕對(duì)精度也限制在米級(jí)，相對(duì)精度限制在幾分米。

為了提高高程精度，可以通過計(jì)算當(dāng)?shù)卮蟮馗吣Ｐ筒⒉捎脙?nèi)插技術(shù)。長(zhǎng)波部份由GGM計(jì)算，短波部份由當(dāng)?shù)刂亓χ涤?jì)算。精度的好壞取決于當(dāng)?shù)刂亓χ档目煽砍潭?。在高差很大地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)，大地水準(zhǔn)面模型精度會(huì)很低，近來使用的衛(wèi)星測(cè)高法和DEMS技術(shù)也能提高高程精度。然而，大地水準(zhǔn)面精度不是唯一的限制性因素，它與高程基準(zhǔn)面的聯(lián)合使用也必須被考慮。

高程基準(zhǔn)面方面的限制

在很多地區(qū)，使用已知的正常高或正高來定義高程基準(zhǔn)面。有時(shí)，定義了多個(gè)高程基準(zhǔn)面，每一個(gè)高程基準(zhǔn)面都由一個(gè)原點(diǎn)（例如驗(yàn)潮站觀測(cè)點(diǎn)）推算，該點(diǎn)的高程值由一個(gè)或幾個(gè)潮汐的平均海水面值來決定。

如果海洋測(cè)量或水準(zhǔn)測(cè)量有誤，將會(huì)使高程基準(zhǔn)面的基準(zhǔn)偏離真實(shí)的重力模型，可以增加一個(gè)曲面到大地水準(zhǔn)面模型加以解決。為了檢核高程基準(zhǔn)面，常常使用GPS觀測(cè)至少三個(gè)高程基準(zhǔn)面點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于現(xiàn)代的高程基準(zhǔn)面，改進(jìn)對(duì)高程信息的管理，許多數(shù)據(jù)庫(kù)僅僅貯存了正常高（或正高），然而高程基準(zhǔn)面漸漸地變?yōu)檎８吆蜋E球高的結(jié)合物，因此，必須像對(duì)待其他一些在特定時(shí)間有特定質(zhì)量的觀測(cè)值一樣對(duì)待大地水準(zhǔn)高。如果不仔細(xì)管理這些不同的數(shù)據(jù)類型，將會(huì)使問題變得模糊和復(fù)雜，將使維護(hù)和改進(jìn)高程基準(zhǔn)面變得困難。

變形監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

并不是所有的GPS測(cè)量都需得出正常高，對(duì)于豎向變形監(jiān)測(cè)，可以不把大地水準(zhǔn)面和橢球面聯(lián)系起來考慮。GPS非常適合運(yùn)用于變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)重復(fù)觀測(cè)。設(shè)計(jì)一個(gè)GPS監(jiān)測(cè)方案需考慮以下問題：

●整周未知數(shù)解

●星歷和參考點(diǎn)質(zhì)量

●多路徑效應(yīng)

●對(duì)流層影響

●潮汐現(xiàn)象

●天線問題

考慮到需要聯(lián)測(cè)變形區(qū)域內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)，需采取靜態(tài)測(cè)量模式作長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，即使對(duì)于幾百公路里的基線，如果觀測(cè)幾天并用專門的數(shù)據(jù)處理軟件，精度也能達(dá)到厘米級(jí)。一個(gè)更高要求的GPS測(cè)高方面的應(yīng)用要求精度得到毫米級(jí)，可以用于監(jiān)測(cè)與全球變暖有關(guān)的海水面變化。想了解更詳細(xì)的內(nèi)容，參見Neilan et la.(1997)

實(shí)時(shí)GPS測(cè)量方面的應(yīng)用

RTK的高效性對(duì)高度測(cè)量有很大的吸引力，為了達(dá)到厘米級(jí)的高程精度，外業(yè)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(zhǎng)度和幾個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的情況。如果觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)些，就相當(dāng)于是實(shí)時(shí)的快速靜態(tài)，那么就提高了精度，又保持了實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)大面積來說，大地水準(zhǔn)面模型和高程基準(zhǔn)面的擬合精度非常重要，很多系統(tǒng)能在實(shí)時(shí)處理中使用大地水準(zhǔn)面模型。然而，當(dāng)?shù)氐牡匦伪阋炎銐蚪⒛Ｐ停恍S家允許做野外校正，通過后控制點(diǎn)能實(shí)時(shí)建立三維模型。

機(jī)器監(jiān)測(cè)和導(dǎo)引方面的應(yīng)用

很多GPS廠家正著手改進(jìn)RTK技術(shù)以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)方面的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和導(dǎo)引，以及地殼移動(dòng)和建筑設(shè)備。這些應(yīng)用同樣受RTK應(yīng)用一樣的誤差影響。高精度測(cè)量應(yīng)用于工程方面的一個(gè)主要原因就是建筑過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)生了誤差累積。然而，如果機(jī)器通過當(dāng)?shù)乜刂浦恍枰粋€(gè)步驟就能定位，誤差就會(huì)變小。另一方面，一些應(yīng)用所要求的精度達(dá)到了GPS實(shí)時(shí)測(cè)量所能達(dá)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(dòng)化系統(tǒng)。希望測(cè)量人員能意識(shí)到這些在連接和評(píng)價(jià)控制網(wǎng)，建立基準(zhǔn)點(diǎn)以及進(jìn)行綜合質(zhì)量監(jiān)測(cè)過程中會(huì)遇到的問題。

GPS測(cè)高的精度

GPS實(shí)際測(cè)量人員想知道的是：使用快速靜態(tài)方法和RTK技術(shù)到底能達(dá)到什么樣的精度？下表以Trimble 4800GPS為例，分不同作業(yè)模式以及RTK的不同數(shù)據(jù)更新率列出了不同邊長(zhǎng)的相應(yīng)誤差，并給出三倍中誤差作為允許誤差。