GPS定位技术在精密高程测量中的应用

韩吉

摘 要：当前，GPS技术在我国的工程测量已经中得到了较为广泛的应用，GPS技术具有测量准确性高、定位速度快、测量时间短等优势，不但为快速定位和获取数据带来了方便，也为国家经济建设和国防建设做出了很大贡献。但仍存在一定的误差，而如何减少误差则十分重要。该文首先对GPS高层测量的基本原理进行了简要的阐述，并对GPS精密高程测量的误差来源进行了详细的分析，并提出了针对这些误差来源的相关应对措施。

关键词：GPS定位 高程测量 精度

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0017-02

GPS技术即全球定位系统，该系统的原理通过卫星对地理位置信号的接受和发送，能够借助卫星技术，并根据所得到的数据进行算法的计算，对地球上位置进行准确的判断[1]。在精密高程测量当中，GPS技术的使用，可以通过将若干已知GPS点的正常高与GPS测量所得的大地高之间进行高程异常的比较，并通过相应的平面坐标和高程异常采用数值似合计算方法，拟合出区域的似大地水准面，即可解出各点高程异常值，进而求出各GPS点的正常高，从而获得精确的数据，测量也更加准确。

1 GPS高程测量的原理

GPS高程测量的基本原理是通过GPS技术获得测量点的大地高数据，然后通过水准测量获得测量点的正常高的数据，大地高与正常高之间的差值被称为高程异常，通过高程异常的数据，采用高程拟合算方案，能够对似大地水准面进行拟合，从而得出测量区域内的高程[2]。

假设是通过GPS测得的大地高，H是相应的正常高，则该点的高程异常可以表示为：

通过GPS技术对高程进行拟合，需要对一定范围内的测量点构建起似大地水准面，这就需要在测量的范围之内布置一定数量的GPS测量点，并且应当在一定的密度范围之内，通过这些测量点的水准联测，取得测量点的大地高与正常高，从而获得高程异常，进一步的构建出测量区域内的似大地水准面。

通过多年的发展，目前关于GPS 高程拟合模型的相关研究已经比较充足，比较常见的GPS拟合模型包括有曲线拟合模型、神经网络拟合模型、曲面拟合模型等，这些拟合方法由于采用的算法不同，得出的结果可能会有所差别，结果的精度对受到测量点密度、测量点的数量与分布等的影响。

2 GPS精密高程测量的误差来源

2.1 GPS测量误差的影响

在GPS测量误差中，主要有3个方面会产生一定的误差。

首先，是卫星本身运行过程中产生的误差，星历误差、卫星钟差以及相对论效应等都会产生一定的影响。其次，是信号传播产生的误差。在信号传播的过程中，可能会出现电离层延迟、对流层延迟、多路径效应等，前面两者的信号误差问题能够采用相关的算法来进行优化与改进，而多路径效应产生的误差可以通过天线中的扼流圈来进行误差的调整[3]。最后，是信号接收设备产生的误差以及信号处理产生的误差。在接收设备中，天线的整平和相位中心都可能产生误差，而在信号处理中所采用的算法与模型也会有一定的误差。前者能够对天线的整平进行调整来降低误差，而后者则需要采用精密星历来降低误差。还可以通过多次试验来对数据处理模型的误差进行降低。

2.2 水准点联测误差的影响

水准联测的误差会直接对拟合模型的结果产生影响。水准联测是通过测量区域内的测量点的数据进行的，因此，水准测量的精度需要进行有效地控制，才能使得高程拟合的结果得到有效保障，所以，需要对测量点的粗差进行测量，并且基于稳健进行相关的估计与分析。

2.3 拟合模型误差的影响

在对测量区域的数据进行拟合模型的建立时，拟合点的数量的确定和拟合点的分布密度会使得拟合结果的准确度产生影响。并且，拟合模型的选择也会对最终似大地水准面是否能够达到最佳的拟合程度产生影响。似大地水准面的形成主要是通过模型将测量点拟合成为一个曲面，其中需要采用相对负载的数学模型，而真正能够与大地水准面保持完全一致是非常困难的，所以，拟合模型中会产生一定的误差，并对GPS高程拟合结果产生影响。 因此，需要在进行测量的时候对高程拟合模型进行正确与适当的选择，从而提高精密高程测量的准确度与可靠性。

3 GPS定位技术在精密高程测量中应用的误差来源的应对

在采用GPS定位技术进行精密高程测量时，结果的精确度是非常重要的，因此，需要采用必要的手段和方式，来最大程度地降低过程中可能产生的各种误差，将误差降低到最小，或者是对某一环节的误差进行彻底的消除[4]。从前文对GPS精密高程测量误差的来源进行误差的消解，是非常重要的方式。

3.1 使用精密卫星星历

需要在选择了合适的测量方案之后，对测量条件较好地观测时段进行卫星的观测，并且这样能够使得GDOP及PDOP值得到减小，并且能够降低通过电力折射以及卫星信号误差、载波相位周跳的误差。

GPS卫星信号会受到电离层的影响，通过信号频率的函数就能够体现出来是否受到影响，将不同电磁信号波的使用频率来进行对比，然后产生的影响也是不同的，由此来对观测值进行进一步的修正。

同时，还可以使用不同的接收机来进行同时观测，从而获得更多地观测值来获得相关差值，同时还能够对相似误差的特性进行观测。

3.2 构建观测值改正模型

在观测过程中还需要构建观测值的改正模型，来对观测误差值进行进一步的修正。当前的观测值改进模型主要有对卫星轨道偏差的改正模型，主要是将卫星轨道偏差数据改为参数常量。另外还有导航电文数据的改正模型，即电离层模型，还包括流层模型以及接收机钟差改正模型。

3.3 观测点的选择

观测点的选择对于最后测量结果是非常重要的。因此，选择观测点的时候，应当尤其的注意观测点是否有信号噪声，并且受到信号的遮挡，或者是容易产生多路径效应，这些位置都是不好的。选择观测点时，需要根据基线向量进行初始的计算，然后通过相位双残差曲线图的相关内容应当进行再一次的测量，并且对于卫星在时间点中测量数据的失常，需要对相应的测量点进行删除，并且重新进行基线向量的计算，对双残差曲线进行重新的计算，使得基线向量的指标是完全的符合规定的。

观测点平差的计算，是建立在精度指标的标准之上的。工程设计之初，就应当对相关的数据确定精度的指标，并且能够对于重复基线进行误差的测量和计算，各个测量点需要同步开始测算，对分量闭合差和全长闭合差进行检验，如果超出标准的限度，进行检测与分析，从而进行补测。

3.4 长时间、多时段的持续观测

在对观测点进行观测的时候，采用的是静态定位的方法，而对观测点的基线测量需要耗费一定的时间，这个时间的长短也会对精确度产生一定的影响，通常来说，需要在不同的两个时段来进行测量，每一次的测量需要持续1～3个小时为佳。

4 结语

GPS定位技术通过利用空间卫星的定位优势，通过信号的处理来对地理空间上的测量点获取所需的测量数据。与传统的测量技术相比，GPS定位技术在测量结果的准确性方面具有先天的优势，并且使用方法也更加方便，能够对精密高程测量的精确率以及效率方面有所提高。

参考文献

[1] 李征航，黄劲松.GPS 测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2005.

[2] 严义强.论GPS高程测量的影响因素与对策[J].测绘与空间地理信息，2013（8）：194-195.

[3] 张月.GPS控制网高程测量及精度评定[J].铁道勘察，2011（4）：11-13.

[4] 赵杰.GPS高程测量技术在水利工程测量中的应用[J].广东科技，2014（22）：123，134.