一、引言

眾所周知，GPS作為現(xiàn)代化的三維測量工具，已被越來越廣泛地運用到平面測量工作中去，如平面控制測量、地形測量、施工測量等。但是GPS在實際的工作實踐中，卻較少運用于高程測量。這是由于我國幅員遼闊，GPS測高受區(qū)域性大地水準(zhǔn)面的限制以及儀器和外界條件等諸方面因素的影響，所測高程精度較低，無法滿足各項工程建設(shè)的需要。那么GPS測量高程的誤差主要有哪些呢？我們又如何采取有效措施來提高高程測量精度呢？

二、GPS高程測量原理

利用GPS求得的是地面點在WGS-84坐標(biāo)系中的大地高H84，而我國高程采用正常高。要想使GPS高程在工程實際中得到應(yīng)用，必須實現(xiàn)GPS大地高向我國正在使用的正常高的轉(zhuǎn)化。如圖1所示。

有公式：Hr=H84-ζ由上式可知GPS高程測量的結(jié)果Hr誤差主要由大地高H84的誤差和高程異常ζ的誤差的組成。

三、影響大地高H84的誤差來源

1.相位整周模糊度解算對GPS高程的影響。相位整周模糊度解算是否可靠，直接影響三維坐標(biāo)的精度。在控制測量中，無論采用快速靜態(tài)或?qū)崟r動態(tài)測量技術(shù)，都必須精確解算得到相位整周數(shù)，然而相位整周數(shù)模糊度的解算常常會出現(xiàn)解算錯誤的可能性，從而會影響高程測量的精度。

2.多路徑效應(yīng)的制約因素：所謂多路徑效應(yīng)是指測站附近反射物反射來自衛(wèi)星的信號與衛(wèi)星直接發(fā)射的信號同時被接收機接受，這兩種信號產(chǎn)生相互影響使其觀測值偏離其真值，產(chǎn)生多路徑誤差。多路徑效應(yīng)的影響分為直接的和間接的，并能對三維坐標(biāo)產(chǎn)生分米級影響。

3.電離層延遲對高程測量量的影響：電離層對GPS測量的影響主要有：電離層群延(絕對測距誤差)；電離層載波相位超前(相對測距誤差)；電離層多普勒頻移(距速誤差)；振幅閃爍信號衰減；磁暴、太陽耀斑等，這些電離層的變化都會延遲GPS信號的傳播路線。影響GPS的高程測量的精度。

圖1 GPS高程測量原理

4.星歷和參考坐標(biāo)對高程的制約：衛(wèi)星的星歷是描述衛(wèi)星運行軌道的信息，精確的軌道信息是GPS定位的基礎(chǔ)。另外，為測定某點的高程就必須獲得該地區(qū)的一個理想的用WGS-84參考位置。衛(wèi)星星歷質(zhì)量的好壞及用WGS-84參考位置確定精度等將直接影響GPS的高程測量，可能會產(chǎn)生幾個PPM的影響。

5.天線高對高程測量的影響：天線高是一個明顯的誤差來源。如果使用三腳架，由于高度經(jīng)常發(fā)生變化，外業(yè)要求必須對天線高測量進行嚴格檢查。若天線不是由一個廠家生產(chǎn)，則影響會更大，原因是有效相位中心不在同一高度上。

6.潮汐對GPS高程測量的影響：潮汐現(xiàn)象(包括陸地潮汐和海洋潮汐)對GPS高程測量也能產(chǎn)生很大的影響，特別是當(dāng)基線超過100km的情況下，其影響可達到厘米級。

四、高程異常ζ的誤差影響

由于似大地水準(zhǔn)面的特殊性以及地表上各點高程異常值的不確定性，在實踐中想精確求得高程異常ζ是非常困難的。所以求算高程異常ζ的方法和精度將直接影響GPS測量高程的最終精度。

五、提高GPS高程測量精度的方法

1、進行GPS高程測量，應(yīng)使用雙頻GPS接收機，且型號最好相同。因為雙頻接收機能消減由于電離層的影響而產(chǎn)生的衛(wèi)星信號時延。型號相同可使GPS天線相位中心偏差最小，且天線高固定。固定的天線高和腳架高可消減天線高誤差。在進行GPS高程測量的過程中，應(yīng)盡可能多地增加多余觀測。因為增加多余觀測，可以消除或減弱相位整周模糊度解算的出錯率，增加相位整周模糊度解算的可靠性，同時，還可以降低多路徑效應(yīng)的影響。盡量提高高程異常ζ的解算精度。獲得高程異常的方法比較多，主要有直接法和幾何法。

(1)直接法。又稱重力法。重力法就是利用流動站附近的重力測量資料求解大地水準(zhǔn)面的非線性變形部分的高程異常值。高程異常是地球重力場的一個參數(shù)，一般情況下，利用地球重力場模型，根據(jù)點位住處，即可求出該點的高程異常。此法適合對高程精度要求相對不高，且進行水準(zhǔn)測量有困難的地區(qū)。

(2)幾何法。又稱解析法。就是用一個一次或高次的多項式來擬合出似大地水準(zhǔn)面模型，即高程異常模型，從而內(nèi)插出某點的高程異常值。根據(jù)測區(qū)的情況可以將似大地水準(zhǔn)面用多項式曲線、平面擬合和多項式曲面來表示，對應(yīng)的就有多項式曲線擬合、平面擬合和多項式曲面擬合三種方法。只有根據(jù)測區(qū)情況選擇合適的擬合方法，才能有效提高高程異常的求解精度。當(dāng)測區(qū)呈線狀分布，可根據(jù)控制點的平面坐標(biāo)及高程異常，通過構(gòu)造一個插值函數(shù)來擬合測線方向上的大地水準(zhǔn)面曲線，然后內(nèi)插出高程異常值。如果測區(qū)是范圍較小并且地形平坦或低丘地區(qū)，其似大地閃準(zhǔn)面可看成平面。此時采用平面擬合法，高程異常值的計算將會得到較好的擬合結(jié)果。

對于范圍稍大、起伏較大的地區(qū)應(yīng)把似大地水準(zhǔn)面看成多項式曲面，可采用曲面擬合來逼近似大地水準(zhǔn)面，這樣的多項式曲面擬合模型才能較好的擬合出測區(qū)的高程異常值。最終達到提高求解精度的目的。

如果測區(qū)內(nèi)的似大地水準(zhǔn)面的開頭存在兩個以上的凸面（或凹面），就需要對擬合模型進行定義區(qū)域，即分區(qū)擬合，使似大地水準(zhǔn)面在分區(qū)域內(nèi)存在一個凸面或凹面，讓擬合模型盡量與該區(qū)域內(nèi)的擬大地水準(zhǔn)面吻合。為了提高高程異常的擬合精度，在使用幾何法時應(yīng)注意以下幾點：

1)此法是一種純幾何方法，適合范圍不很大的測區(qū)，面積過大或山區(qū)使用此法精度會有所降低。

2)應(yīng)選擇合適的高程異常已知點。在實際工作中高程異常已知點一般采用在水準(zhǔn)點上布設(shè)GPS點或?qū)PS點進行水準(zhǔn)聯(lián)測的方法來實現(xiàn)。

3)為了獲得較好的擬合結(jié)果要求采用數(shù)量盡量多的已知點，它們應(yīng)均勻分布，并且最好能夠?qū)⒄麄€GPS網(wǎng)包圍起來。通過以上措施，我們不但可以盡量減小因GPS設(shè)備本身測量大地高H所引起的誤差，也將使待測點的高程異常值精度大大提高，從而提高使用GPS在實際高程測量中的高程精度。

2.高程異常擬合精度的評價方法：GPS擬合高程精度一般采用的計算方法是：計算擬合點的擬合中誤差，分析GPS擬合高程的內(nèi)符合精度；聯(lián)測若干已知幾何水準(zhǔn)高程的GPS網(wǎng)點作為檢核點，計算檢核點的擬合中誤差，分析GPS擬合高程的外符合精度；將檢核點的高程異常與擬合的高程異常差，同相應(yīng)等級的水準(zhǔn)測量限差進行比較，分析GPS擬合所能達到的精度。

六、結(jié)語

本文主要對GPS在高程測量中的應(yīng)用現(xiàn)狀進行簡單介紹，并結(jié)合GPS測量高程原理，分析就影響GPS測量高程精度主要因素，然后提出了相應(yīng)的措施和方法，希望對測量人員在使用GPS進行高程測量時起到一定的借鑒作用。

[1]王金龍,程小宜.工程測量學(xué)[M].武漢大學(xué)出版社,2005.

[2]張勤.GPS測量原理及應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2010.