GPS高程测量及在水利测绘工程中的应用

李代敏 吴德品

摘要：21世纪科学技术的迅猛发展给国内设计技术各方面带来了冲击。在高程测量技术方面，GPS高程测量已经渐渐地取代了传统的控制测量方法。本文将介绍GPS高程测量的应用以及测量方法，简要说明GPS高程测量在水利测绘工程中的应用现状以及实际操作中的制约因素，并提出措施建议。针对GPS测量的误差，对提高其精度测量方面提出几点建议。并普及一下GPS相关的理论基础知识。

关键词：GPS高程测量 科学技术控制测量方法测量技术

引言：GPS即全球定位系统【1】，高程测量技术就是利用GSP技术对地面进行三位定位，接收地球上人造卫星发射出的电波，经过对电波的分析解读之后，测量出目标地点的大地高、正常高以及三维坐标值。大地高是可以直接测量得出的，正常高要运用水准测量方法测量得出，分别精确程度已达到厘米。相比较传统的高程测量法，GPS高程测量在操作上更加便捷了，且省时省力。在精度要求方面，随着国内外科研机构对GPS精度的不断探讨其精度也有了明显的提高。而且此种测量方法几乎不受天气的限值，因此目前应用广泛且深受喜爱。

1. GPS高程测量的工作原理

利用GPS技术，【2】首先测量所有目标测量区域内的GPS的大地高（用E表示），为满足高程拟合的要求，再用水准测量方法测量出目标测量区域内GPS点的正常高（用D表示）。得出GPS点的大地高和正常高之后，即可计算出GPS点的高程差异（用Q表示），高程差异Q=E-D。完成这一切操作之后，运用曲面拟合和平面拟合得出目标测量区域内其他GPS点的正常高。

1.1GPS的几项参考数值

大地高即没有明确的物理学意义。大地高是地面点所形成的椭圆的法线到参考椭圆间的距离。正高不同于正常高，正高是地面点到大地水准面间的垂直距离。正常高是地面点到大地水准面间的垂直距离。高程差异是大地水准面与参考椭圆间的距离，

2.GPS的测量方法及测量数据

GPS的测量方法【3】。GPS的测量方法最主要的是单点定位。此种测量方法相对于另外两种操作方法而言相对简单，此方法的工作原理是利用卫星发出的电波计算出某一个点的三维坐标数据。通常情况下，单点定位测量方法能够接收四个以内的卫星的信号并作出分析。但是此种测量方法的缺陷是因为其利用的是接收线或天线来确定三维坐标数据的，因此，该种测量方法在精度要求方面还不够，测量定位时最好不能用单点定位。其次是相对定位。相对定位包含有：动态侧量、快速静态测量和静态测量三种。动态测量的操作方法是在测定的区域选择一个点作为基准点，利用天线和接收机跟踪可见卫星，相比较于静态测量法，动态测量法的精度还达不到静态测量。快速静态测量的操作方法是需要首先选择一个基准点，保持一台接收机在原控制点的基准上保持不变，其他几台接收机进行观测。静态测量是的操作方法是在多天基准线上的两端放置两台以上的天线和接收机，接受和分析卫星信号。此种测量方法在精度要求方面比较可靠。最后一种是实时动态测量。

GPS的测量数据处理【4】。测量数据处理主要是包含有两个方面的内容：数据的预处理和GPS网的平差处理。数据的预处理的目的是通过对原始数据的统计和整理，获得GPS的观测基线向量，整个过程是为下一步计算平差而准备的。GPS网的平差处理的操作原理是利用一个点为三维坐标点，一次进行GPS网坐标转换与平差处理。

3.GPS测量的误差分析

GPS测量的误差【5】主要是从以下几个方面来考虑的：信号传播相关的误差、卫星相关的误差、接收线相关的误差等。

众所周知，地面40km以上的区域属于大气层的对流层，GPS信号在通过对流层时发生的传播路径的弯曲，这就使测量的距离发生了偏差，这就是流层折射误差。可以利用同步测量数据求差已减弱测量距离造成的误差。多路径误差是严重影响GPS测量精度的重要因素之一，在测量中，目标测量对象内的其他区域会反射卫星信号，使其测量值偏差。可以在天线上安装抑径板以抑制不需要的反射信号。电离层是距地面50～1000km的区域，和流层折射的发生原理一样，GPS信号在经过电离层的时候会发生的信号路径弯曲，从而产生电离层折射误差，这就是电离层的折射误差。同步观测和双频观测可以减弱误差。

卫星相关的误差体现在以下几个方面：卫星的位置与实际位置间的误差即卫星星历误差。可以对同一卫星设置多个观测站观测。相对论效应是接收钟机与卫星钟间在不同形态下产生的误差。可以保持接受钟机和卫星钟的相对独立。

接收线相关的误差体现在以下几个方面：在实际观测过程中，天线相位中心的位置会受到信号的方向和位置的影响，这就会产生天线中心位置的误差。接收机天线线位中心与观测站中心位置间产生的误差即接收机位置的误差。这就要求操作人员在实际观测过程中要谨慎、信心，减少或避免误差。接收机钟误差是石英钟、卫星钟、接收机钟三者之间的误差。

4.GPS高程测量在水利测绘工程中的应用

综上所述，我们大概了解了GPS高程测量的工作原理以及相关的几项参数指标。对GPS高程测量的测量方法也有所了解。近几年来GPS高程测量技术在水利工程中的大力应用，迫使科学家和水利工程事业的工作者越来越开始关注GPS高程测量的精度问题。上文已经对从各个方面对其测量过程前后产生的误差作出了分析，下文将针对其误差的产生针对性的提出建议，希望能够促进我国水利事业测量技术的发展。

传统的高程测量实际应用中与会存在各种各样的问题。【6】水利测绘的测量中，由于修建水利工程的地方大多有地势偏僻、地形复杂、交通不便、路线崎岖等特点，实际操作中其传统的测量方法运用起来还是比较困难的。GPS高程测量技术应用到水利测绘工程中，省时省力、无需通视、效率较高。

针对GPS高程测量在水利工程中的应用，笔者对提高GPS在水利工程中的应用和减少误差方面提出几点建设性的建议【7】：

1）GPS的高程测量在实际测量过程中要以高精度基准网为参考标准；2）在设的使用上，建议使用双频且型号相同的GPS接收机，3）尽可能多的增加多余观测，可以减弱测试的模糊度。4）提高大地差的测量精度，要做好卫星预报工作，设计合理的GPS网，测量时要考虑目标观测区域内的周围环境5）提高拟合计算和连测几何水准的精度。

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