gps高程測量中的精度分析

gps高程測量中的精度分析

1測量精度不高,測量精度不夠高隨著gps技術(shù)的成熟，gps以其高精度和速度快等優(yōu)點，在建立各種控制網(wǎng)、變形監(jiān)測網(wǎng)、精確工程測量等應(yīng)用方面迅速而廣泛應(yīng)用。然而，gps在高海拔測量方面的精度較低，這嚴重限制了gps在3d控制網(wǎng)和垂直變形監(jiān)測網(wǎng)的應(yīng)用，即gps不能充分應(yīng)用于三維坐標。2高系統(tǒng)在測量學(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正常重力值的計算正高高程系統(tǒng)是以大地水準面為高程基準面,地面上任意一點的正高高程是該點沿鉛垂線方向至大地水準面的距離。如圖1所示,A點的正高為:H正=∫CAdH=∫OBA1gmgdh=∫CAdΗ=∫ΟBA1gmgdh(1)式中:gm為A點鉛垂線上AC線段間重力值的平均值;g和dh分別為沿OBA路線所測得重力值和水準高差。由于gm不能精確測定,也不能由公式推導(dǎo)出來,所以地面點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點的近似正高計算公式為: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為計算點的緯度;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與實測重力值g并不相同,在某些地區(qū),特別是我國西部高山地區(qū)差異很大,在這些地區(qū)近似正高會受到較大的扭曲。2.2正常高高程公式以似大地水準面為基準面的高程系統(tǒng)為正常高高程系統(tǒng)。正常高高程計算公式為:H常=1γm∫OBAgdh=1γm∫ΟBAgdh(4)上式與(1)式相比較可知,正高高程無法精確求得,但正常高高程可以相對精確地求得。式中g(shù)可由重力測量結(jié)果求得,dh可由水準測量的結(jié)果求得,而γm可由正常重力公式計算求得。目前,我國使用的高程系統(tǒng)為正常高高程系統(tǒng)。2.3gps高程的測量以參考橢球面為高程基準面的高程系統(tǒng)稱為大地高高程系統(tǒng)。GPS測量所求得的高程是相對于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量中不能直接應(yīng)用。3大氣折射的測量影響GPS高程測量精度的主要因素有:大氣電離層和對流層對GPS信號的折射和區(qū)域性似大地水準面本身精度。3.1大氣對GPS信號的折射是影響高精度GPS平面相對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改正模型進行改正,也可以利用雙頻接收機進行雙頻改正,還可以利用站際、星際二次差分觀測值(簡稱雙差)來有效消除,因此大氣折射對GPS平面相對定位的影響較小。而對于對流層折射影響,一方面是改正模型的精度不夠高;另一方面是在雙差觀測值中不能得到有效消除。由此可見,提高GPS網(wǎng)的精度已集中到提高GPS高程測量的精度上。由于對流層中的物質(zhì)在時間上和空間上的分布具有極大的隨機性,這造成了對流層產(chǎn)生的折射延遲也具有較大的隨機性。而實際上對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為對流層折射對GPS信號所產(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站的大氣壓、濕氣壓、溫度、測站高以及測站緯度等,由于測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際的對流層折射影響,尤其是濕分量的影響。3.2因區(qū)域性似大地水準面本身測量精度的影響,GPS測量的大地高在向正常高轉(zhuǎn)換過程中,精度受到較大損失。4正常高高差的轉(zhuǎn)換在常規(guī)地面測量中,測點的正常高一般是通過水準測量而求得的。水準測量所求得的兩點間的高差,加上正常水準面不平行改正和重力異常改正,即可得到兩點間的正常高高差。GPS測量所得的大地高即HGPS,必須經(jīng)轉(zhuǎn)換為正常高后,才能在工程測量中應(yīng)用。HGPS與以似大地水準面為基準的正常高(H常)的關(guān)系為(如圖2所示):ζ=HGPS-H常(6)式中ζ表示A點的高程異常值。由上式可知,只要知道某點的高程值ζ,就可以將該點的GPS高程轉(zhuǎn)化為正常高高程。計算高程異常值ζ的一般方法有:加權(quán)平均法、平差轉(zhuǎn)換法等。4.1點的高程異常值加權(quán)平均法是由內(nèi)插點周圍部分已知點的高程異常值加權(quán)平均求得該點的高程異常值。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i至內(nèi)插點A的水平距離。4.2基于坐標轉(zhuǎn)換的gps誤差估計如在某一區(qū)域內(nèi)已知有一定數(shù)量的點具有三維坐標,那就可以根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換的原理,從而求得參考橢球面與似大地水準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)進行平差,在已知點的約束下,通過平差即可求得GPS觀測點的平面坐標和正常高高程。5測量數(shù)據(jù)處理利用GPS技術(shù)進行高程測量的精度,受到衛(wèi)星幾何圖形、周圍環(huán)境、測量精度、接收機(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)的圖形強度有關(guān),要提高GPS高程測量的精度,應(yīng)使VDOP盡可能的小。5.2選用雙頻GPS接收機,有效地消除電離層折射的延遲誤差。