gps高程測(cè)量中的精度分析

gps高程測(cè)量中的精度分析

1測(cè)量精度不高,測(cè)量精度不夠高隨著gps技術(shù)的成熟，gps以其高精度和速度快等優(yōu)點(diǎn)，在建立各種控制網(wǎng)、變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)、精確工程測(cè)量等應(yīng)用方面迅速而廣泛應(yīng)用。然而，gps在高海拔測(cè)量方面的精度較低，這嚴(yán)重限制了gps在3d控制網(wǎng)和垂直變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的應(yīng)用，即gps不能充分應(yīng)用于三維坐標(biāo)。2高系統(tǒng)在測(cè)量學(xué)中高程系統(tǒng)一般可分為三種:正高高程系統(tǒng)、正常高高程系統(tǒng)、大地高高程系統(tǒng)。2.1正常重力值的計(jì)算正高高程系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為高程基準(zhǔn)面,地面上任意一點(diǎn)的正高高程是該點(diǎn)沿鉛垂線方向至大地水準(zhǔn)面的距離。如圖1所示,A點(diǎn)的正高為:H正=∫CAdH=∫OBA1gmgdh=∫CAdΗ=∫ΟBA1gmgdh(1)式中:gm為A點(diǎn)鉛垂線上AC線段間重力值的平均值;g和dh分別為沿OBA路線所測(cè)得重力值和水準(zhǔn)高差。由于gm不能精確測(cè)定,也不能由公式推導(dǎo)出來(lái),所以地面點(diǎn)的正高高程不能精確求得,而通常是采用近似方法求正高的近似值,A點(diǎn)的近似正高計(jì)算公式為:H近=1γm∫OBAγdh=1γm∫ΟBAγdh(2)式中:γ表示正常重力值,γm為A點(diǎn)鉛垂線上AC線段間重力值的平均值。正常重力值并不顧及地球內(nèi)部質(zhì)量密度分布的不規(guī)則現(xiàn)象,它僅隨緯度的不同而變化,其計(jì)算公式為:γ=γ45°(1-αcos2θ+…)(3)式中:γ45°為緯度45°處的正常重力值;θ為計(jì)算點(diǎn)的緯度;α為常數(shù),α≈0.0026。由于地球內(nèi)部質(zhì)量分布并不是均勻的,因此正常重力值γ與實(shí)測(cè)重力值g并不相同,在某些地區(qū),特別是我國(guó)西部高山地區(qū)差異很大,在這些地區(qū)近似正高會(huì)受到較大的扭曲。2.2正常高高程公式以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)為正常高高程系統(tǒng)。正常高高程計(jì)算公式為:H常=1γm∫OBAgdh=1γm∫ΟBAgdh(4)上式與(1)式相比較可知,正高高程無(wú)法精確求得,但正常高高程可以相對(duì)精確地求得。式中g(shù)可由重力測(cè)量結(jié)果求得,dh可由水準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果求得,而γm可由正常重力公式計(jì)算求得。目前,我國(guó)使用的高程系統(tǒng)為正常高高程系統(tǒng)。2.3gps高程的測(cè)量以參考橢球面為高程基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)稱為大地高高程系統(tǒng)。GPS測(cè)量所求得的高程是相對(duì)于WGS-84橢球而言的,即GPS高程是大地高,記為HGPS。HGPS僅僅具有幾何意義而缺乏物理意義,因此它在一般的工程測(cè)量中不能直接應(yīng)用。3大氣折射的測(cè)量影響GPS高程測(cè)量精度的主要因素有:大氣電離層和對(duì)流層對(duì)GPS信號(hào)的折射和區(qū)域性似大地水準(zhǔn)面本身精度。3.1大氣對(duì)GPS信號(hào)的折射是影響高精度GPS平面相對(duì)定位及垂直方向精度的重要因素之一。其中電離層折射的影響可通過(guò)改正模型進(jìn)行改正,也可以利用雙頻接收機(jī)進(jìn)行雙頻改正,還可以利用站際、星際二次差分觀測(cè)值(簡(jiǎn)稱雙差)來(lái)有效消除,因此大氣折射對(duì)GPS平面相對(duì)定位的影響較小。而對(duì)于對(duì)流層折射影響,一方面是改正模型的精度不夠高;另一方面是在雙差觀測(cè)值中不能得到有效消除。由此可見(jiàn),提高GPS網(wǎng)的精度已集中到提高GPS高程測(cè)量的精度上。由于對(duì)流層中的物質(zhì)在時(shí)間上和空間上的分布具有極大的隨機(jī)性,這造成了對(duì)流層產(chǎn)生的折射延遲也具有較大的隨機(jī)性。而實(shí)際上對(duì)流層折射影響是由干燥氣體和水蒸氣所產(chǎn)生的影響共同組成的,它可以表示為:ΔDtrop=(ρd+ρw)m(δ)(5)式中:ΔDtrop為對(duì)流層折射對(duì)GPS信號(hào)所產(chǎn)生的等效路徑延遲;ρd、ρw分別為干、濕氣體所產(chǎn)生的誤差分量;m(δ)為與傳播路徑高度角δ有關(guān)的投影函數(shù)。目前對(duì)流層折射改正模型普遍采用Hopfield模型和Saastamoinen模型等,這些模型都只考慮了測(cè)站的大氣壓、濕氣壓、溫度、測(cè)站高以及測(cè)站緯度等,由于測(cè)站氣象元素并不能很好地表征傳播路徑上的氣象條件,因此改正模型并不能很好地模擬出實(shí)際的對(duì)流層折射影響,尤其是濕分量的影響。3.2因區(qū)域性似大地水準(zhǔn)面本身測(cè)量精度的影響,GPS測(cè)量的大地高在向正常高轉(zhuǎn)換過(guò)程中,精度受到較大損失。4正常高高差的轉(zhuǎn)換在常規(guī)地面測(cè)量中,測(cè)點(diǎn)的正常高一般是通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量而求得的。水準(zhǔn)測(cè)量所求得的兩點(diǎn)間的高差,加上正常水準(zhǔn)面不平行改正和重力異常改正,即可得到兩點(diǎn)間的正常高高差。GPS測(cè)量所得的大地高即HGPS,必須經(jīng)轉(zhuǎn)換為正常高后,才能在工程測(cè)量中應(yīng)用。HGPS與以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高(H常)的關(guān)系為(如圖2所示):ζ=HGPS-H常(6)式中ζ表示A點(diǎn)的高程異常值。由上式可知,只要知道某點(diǎn)的高程值ζ,就可以將該點(diǎn)的GPS高程轉(zhuǎn)化為正常高高程。計(jì)算高程異常值ζ的一般方法有:加權(quán)平均法、平差轉(zhuǎn)換法等。4.1點(diǎn)的高程異常值加權(quán)平均法是由內(nèi)插點(diǎn)周?chē)糠忠阎c(diǎn)的高程異常值加權(quán)平均求得該點(diǎn)的高程異常值。ζA=∑Piζi∑Pi(i=1,2?,n)ζA=∑Ρiζi∑Ρi(i=1,2?,n)(7)式中:Pi=1S12,SiΡi=1S12,Si為已知點(diǎn)i至內(nèi)插點(diǎn)A的水平距離。4.2基于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的gps誤差估計(jì)如在某一區(qū)域內(nèi)已知有一定數(shù)量的點(diǎn)具有三維坐標(biāo),那就可以根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理,從而求得參考橢球面與似大地水準(zhǔn)面之間的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù),并將這些參數(shù)加入到GPS網(wǎng)進(jìn)行平差,在已知點(diǎn)的約束下,通過(guò)平差即可求得GPS觀測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和正常高高程。5測(cè)量數(shù)據(jù)處理利用GPS技術(shù)進(jìn)行高程測(cè)量的精度,受到衛(wèi)星幾何圖形、周?chē)h(huán)境、測(cè)量精度、接收機(jī)(軟件)模擬或消除系統(tǒng)誤差的能力等多種因素影響,因此要使GPS高程測(cè)量的精度有所提高,必須注意:5.1選擇最佳的衛(wèi)星幾何圖形,GPS定位精度與站衛(wèi)的圖形強(qiáng)度有關(guān),要提高GPS高程測(cè)量的精度,應(yīng)使VDOP盡可能的小。5.2選用雙頻GPS接收機(jī),有效地消除電離層折射的延遲誤差。