工程測量中GPS高程應(yīng)用的局限性與可行性

胡潤強(qiáng)

（甘肅煤田地質(zhì)局綜合普查隊，甘肅 天水 741000）

通過GPS觀測可獲得很高的平面位置精度。GPS高程精度如何，筆者進(jìn)行了多次和水準(zhǔn)測量高程數(shù)據(jù)的比較，從結(jié)果來看，在較為平坦或淺丘的地區(qū)，GPS高程可以達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。但由于數(shù)據(jù)量少，操作要求嚴(yán)格以及對起算點的數(shù)量、分布和精度都有較嚴(yán)格的規(guī)定等，對其可靠性還存有疑慮或因滿足有關(guān)條件而增加成本，至今應(yīng)用有限。因此，GPS測高應(yīng)綜合考慮工程測量區(qū)域地形和靜態(tài)控制網(wǎng)分布情況。

1 GPS高程系統(tǒng)簡介

地面點沿橢球法線到參考橢球面的距離叫做大地高，地面點到似大地水準(zhǔn)面的距離叫做正常高，似大地水準(zhǔn)面和大地水準(zhǔn)面十分接近。地面點的正常高不隨水準(zhǔn)測量路線的變化而變化，是唯一確定的值，同時也是我們實用的高程。似大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的距離稱為高程異常，實際上，GPS測高主要包括三個方面：

(1)使用GPS測量橢球高；

(2)運用一個大地水準(zhǔn)面模型；

(3)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，這主要受限于運用的大地水準(zhǔn)面模型，所以只適用于一些精度要求不高的工程測量。

2 GPS高程測量的局限

1）整周模糊度影響。GPS相對定位中采用的相位觀測值是接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生的相位與接收到的衛(wèi)星載波相位之差，在量測時，只能測到不足1周的小數(shù)部分(可準(zhǔn)到0.01周)。在理想條件下，接收機(jī)在鎖住衛(wèi)星后可保持跟蹤，從而測出包括整數(shù)部分的相位變化量，因此每個歷元的相位觀測量與接收機(jī)到衛(wèi)星的距離相差載波波長的一個整數(shù)倍，它是一個固定不變的值，該整數(shù)被稱為整周模糊度，在解算時與其他參數(shù)一起求出。在實際觀測條件下，接收機(jī)往往會由于某種原因(如衛(wèi)星信號被擋住)對衛(wèi)星短時間失去跟蹤，在失去跟蹤時間內(nèi)相位的變化就不能被測出，稱為失周或失鎖，也稱為周跳。在短距離GPS基線定位中，大氣軌道誤差基本被抵消，電離層和對流層延遲由于它們的相關(guān)性也消除了大部分影響，失周大小能保持較好的整數(shù)特性，較容易處理[1]。

產(chǎn)生周跳的原因有：衛(wèi)星信號被天線附近的地形地物短時間遮擋；動態(tài)測量時，載體運動速度太快或天線傾斜使信號丟失；多路徑誤差、電離層活動加劇、對流層延遲影響，使衛(wèi)星信號的噪聲偏大而產(chǎn)生周跳。接收機(jī)電路質(zhì)量問題導(dǎo)致產(chǎn)生周跳。觀測數(shù)據(jù)中大于10周的周跳，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時不難發(fā)現(xiàn)，可予以消除。然而，小于10周的周跳，特別是1～5周的周跳，以及半周跳和1/4周跳，不易發(fā)現(xiàn)，而對含有周跳的觀測值周跳的影響視為觀測的偶然誤差，因而嚴(yán)重影響坐標(biāo)的精度。

2）多路徑效應(yīng)影響。多路徑誤差是指GPS信號射至其他的物體上又反射到GPS接收天線上，對GPS信號直接射至GPS接收天線上的直接波的干擾。多路徑誤差的大小，取決于反射波的強(qiáng)弱和用戶天線抗衡反射波的能力。用戶天線附設(shè)仰徑板，當(dāng)仰徑板半徑為40cm,天線高于1m至2m,可抑制多路徑影響。

根據(jù)對實踐資料的分析統(tǒng)計，多路徑誤差有以下危害：①當(dāng)邊長小于10km時，主要誤差源是天線的對中誤差和多路徑誤差；②多路徑誤差對點位坐標(biāo)的影響，在一般環(huán)境下可達(dá)5～9cm，在高反射環(huán)境下可達(dá)15cm;③在高反射環(huán)境(城鎮(zhèn)、水體旁、沙灘、飛機(jī)、艦船等)下，碼信號受多徑誤差的影響，可導(dǎo)致接收機(jī)的相位失鎖；④實踐證明，觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的[2]。

接收機(jī)天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS信號產(chǎn)生鏡反射。天線附近的地形地物，例如道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構(gòu)成鏡反射。因此，選擇GPS點位時應(yīng)特別注意避開這些地形地物，采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施[3]。

3）電離層影響。電離層引起碼信號傳播延遲，它與沿衛(wèi)星和用戶接收機(jī)視線方向上的電子密度有關(guān)，在垂直方向上延遲值在夜間平均可達(dá)3m左右，白天可達(dá)15m，在低仰角情況下分別可達(dá)9m和45m，在反常時期這個值還會加大。為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失，在長基準(zhǔn)測量中用雙頻接收機(jī)采集GPS數(shù)據(jù)，對觀測成果進(jìn)行實時電離層延遲改正，可以獲得很好的效果。對于單頻接收機(jī)的用戶，雖然可以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改正，但其殘差仍然很大。也可以用提高衛(wèi)星高度截止角減少其影響。利用雙頻GPS接收機(jī)觀測，只適用于沒有電離層擾動的中緯度地區(qū)來進(jìn)行電離層改正。

4）其他影響。天線高是一個明顯的誤差來源。RTK系統(tǒng)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(jīng)常變化，所以外業(yè)要求必須對天線高測量進(jìn)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。當(dāng)使用同一廠家的天線時，這個問題就變得很小。

3 大地水準(zhǔn)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，需知道高程異常值。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(zhǔn)面和高程基準(zhǔn)面方面的問題。在一些地區(qū)，全球重力場模型（GGM）是唯一可使用的大地水準(zhǔn)面模型。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(dāng)?shù)卮蟮馗吣Ｐ筒⒉捎脙?nèi)插技術(shù)。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)面模型精度會很低。

4 GPS高程的應(yīng)用

1）GPS高程在變形監(jiān)測方面的應(yīng)用。并不是所有的GPS測量都需得出正常高，對于豎向變形監(jiān)測，可以不把大地水準(zhǔn)面和橢球面聯(lián)系起來考慮。GPS非常適合運用于變形監(jiān)測的自動重復(fù)觀測。設(shè)計一個GPS監(jiān)測方案需考慮以下問題：整周未知數(shù)解；星歷和參考點質(zhì)量；多路徑效應(yīng)；對流層影響；天線問題。

考慮到需要聯(lián)測變形區(qū)域內(nèi)的各個點，需采取靜態(tài)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(shù)據(jù)處理軟件，精度也能達(dá)到厘米級。一個更高要求的GPS測高方面的應(yīng)用要求精度得到毫米級，可以用于監(jiān)測與全球變暖有關(guān)的海水面變化，這充分證明了GPS測量的穩(wěn)定性。

2）GPS高程在RTK測量方面的應(yīng)用。RTK的高效性對高度測量有很大的吸引力，為了達(dá)到厘米級的高程精度，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度和幾個基準(zhǔn)點的情況。如果觀測時間長些，就相當(dāng)于是實時的快速靜態(tài)，那么就提高了精度，又保持了實時的優(yōu)點，對大面積來說，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)能在實時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，通過后控制點能實時建立三維模型。也就是說在局部地區(qū)也可以自己建立三維模型，因為工程測量范圍相對較小，所以在實際測繪時可以建立自己的三維模型。

5 實際工程算例

禮縣第二次全國土地調(diào)查城鎮(zhèn)地籍測量一級控制點的高程測量采用結(jié)點水準(zhǔn)網(wǎng)和GPS擬合高程的方法獲得。使用N2水準(zhǔn)儀一臺，整網(wǎng)進(jìn)行觀測和平差；共聯(lián)測四等水準(zhǔn)點六個，分別為：LE01、LE04、LE06、LE07、LE08、LE09。平差計算采用廣州南方測繪平差易軟件進(jìn)行，見表1。經(jīng)計算，網(wǎng)的精度如下：

表2為TGO軟件擬合高程、水準(zhǔn)測量高程及兩種高程較差表[4]。

表1 網(wǎng)平差報告

表2 高程較差表

點名稱 北坐標(biāo) 東坐標(biāo) 高 程 固定 高程較差LXI017 60562.106m 60817.777m 1408.454m 1408.4504 水準(zhǔn)高程 -0.004 LXI018 60591.945m 60971.215m 1409.502m 1409.4906 水準(zhǔn)高程 -0.011 LXI019 60515.955m 61255.151m 1407.415m 1407.4159 水準(zhǔn)高程 0.001 LXI020 60648.579m 61703.686m 1408.247m 1408.2334 水準(zhǔn)高程 -0.014 LXI021 60733.962m 62540.628m 1410.751m 1410.7669 水準(zhǔn)高程 0.016 LXI022 60543.909m 62835.804m 1411.424m 1411.43 水準(zhǔn)高程 0.006 LXI023 60714.372m 63159.272m 1414.499m 1414.5051 水準(zhǔn)高程 0.006 LXI024 60742.924m 63425.607m 1418.433m 1418.4472 水準(zhǔn)高程 0.014 LXI025 60880.211m 63993.176m 1420.371m 1420.3836 水準(zhǔn)高程 0.013 LXI026 61222.758m 64068.758m 1470.375m 1470.379 GPS擬合高程 0.004 LXI027 60660.794m 64705.065m 1413.376m 1413.3395 水準(zhǔn)高程 -0.036 LXI028 60670.696m 65074.616m 1414.572m 1414.5585 水準(zhǔn)高程 -0.013 LXI029 60302.225m 60408.655m 1443.187m 1443.187 水準(zhǔn)高程 0.000 LXI030 60297.059m 60773.288m 1406.792m 1406.7913 水準(zhǔn)高程 -0.001 LXI031 60302.683m 60984.939m 1406.516m 1406.5167 水準(zhǔn)高程 0.001 LXI032 60318.029m 61221.966m 1405.833m 1405.8261 水準(zhǔn)高程 -0.007 LXI033 60340.123m 61424.155m 1406.415m 1406.4173 水準(zhǔn)高程 0.002 LXI034 60366.935m 62076.877m 1408.598m 1408.6044 水準(zhǔn)高程 0.006 LXI035 60458.753m 62401.318m 1412.852m 1412.8482 水準(zhǔn)高程 -0.004 LXI036 60198.631m 63428.875m 1410.295m 1410.283 水準(zhǔn)高程 -0.012 LXI037 60195.604m 63982.652m 1411.670m 1411.6649 水準(zhǔn)高程 -0.005 LXI038 60329.306m 64481.985m 1410.439m 1410.4251 水準(zhǔn)高程 -0.014 LXI039 60076.250m 60574.169m 1404.884m 1404.8908 水準(zhǔn)高程 0.007 LXI040 60038.613m 60994.671m 1404.889m 1404.8839 水準(zhǔn)高程 -0.005 LXI041 60089.381m 61833.578m 1406.629m 1406.6304 水準(zhǔn)高程 0.001 LXI042 59894.535m 61624.456m 1410.548m 1410.544 GPS擬合高程 -0.004 LXI043 59839.306m 61888.686m 1405.628m 1405.6248 水準(zhǔn)高程 -0.003 LXI044 59951.483m 60362.945m 1432.338m 1432.338 GPS擬合高程 0.000 LXI045 59818.217m 59965.157m 1433.535m 1433.5404 水準(zhǔn)高程 0.005 LXI046 59813.985m 60470.245m 1404.125m 1404.1339 水準(zhǔn)高程 0.009 LXI047 59728.780m 60204.589m 1411.595m 1411.593 水準(zhǔn)高程 -0.002 LXI048 59715.393m 60959.118m 1403.310m 1403.3094 水準(zhǔn)高程 -0.001 LXI049 59504.219m 61044.933m 1401.891m 1401.8905 水準(zhǔn)高程 -0.001 LXI050 59570.860m 61563.381m 1404.106m 1404.0999 水準(zhǔn)高程 -0.006 LXI051 59466.123m 61313.111m 1403.219m 1403.2143 水準(zhǔn)高程 -0.005 LXI052 59429.540m 60330.294m 1402.818m 1402.8287 水準(zhǔn)高程 0.011 LXI053 59258.538m 60876.422m 1401.592m 1401.5872 水準(zhǔn)高程 -0.005 LXI054 59339.891m 60101.016m 1402.778m 1402.7801 水準(zhǔn)高程 0.002 LXI055 59103.289m 60611.331m 1400.531m 1400.5259 水準(zhǔn)高程 -0.005 LXI056 59042.708m 59931.816m 1396.160m 1396.171 水準(zhǔn)高程 0.011 LXI057 58920.298m 60297.890m 1399.629m 1399.6287 水準(zhǔn)高程 0.000 LXI058 58762.964m 60031.676m 1398.841m 1398.8434 水準(zhǔn)高程 0.002

6 結(jié)語

從禮縣測區(qū)6個固定點的高程可以看出，禮縣測區(qū)的最大高差不超過50m，地形相對平坦；當(dāng)時禮縣城區(qū)面積不超過10km2。以禮縣第二次全國土地調(diào)查城外鎮(zhèn)地籍測量項目的GPS計算結(jié)果來看，52個點的水準(zhǔn)高程和擬合高程較差大部分都小于10mm，部分點的較差小于5mm。擬合高程精度完全能滿足小區(qū)域一般工程測量精度要求。

根據(jù)以上對GPS測量高程各種可行和限制性以及實踐數(shù)據(jù)的分析，地勢起伏高差較小區(qū)域工程測量還是適合GPS測量高程的。需要解決的就是怎樣去完善區(qū)域大地水準(zhǔn)面模型，在甘肅省，河西地區(qū)，省測繪地理信息局已經(jīng)通過努力，實現(xiàn)了區(qū)域大地水準(zhǔn)模型的建立。