穆　寧（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院勘測分院，安徽蚌埠233000）

工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析

穆寧（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院勘測分院，安徽蚌埠233000）

在工程測量中，GPS技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并逐步取代了傳統(tǒng)的測距和測角手段。一般在具有較大面積的面狀城市的基礎(chǔ)控制網(wǎng)測量中，能夠形成比較理想的GPS網(wǎng)形。但是在很多工程測量中，由于存在較少的已知點(diǎn)，GPS控制網(wǎng)的精度可能會(huì)受到影響。本文對(duì)GPS技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行了簡要的分析，并分析了影響GPS高程測量精度的主要因素，以及提高GPS高程測量精度的具體途徑。

GPS控制測量平面；高程精度；工程測量

引言

20世紀(jì)80年代開始，GPS測量技術(shù)開始出現(xiàn)并逐步投入使用，其主要包括用戶設(shè)備、地面監(jiān)控系統(tǒng)和空間衛(wèi)星星座，衛(wèi)星所發(fā)射的無線電信號(hào)會(huì)由GPS導(dǎo)航定位接受，從而完成測量工作。然而GPS控制測量的精度難以進(jìn)行直觀的控制，當(dāng)前GPS商業(yè)平差軟件也不能顯示出可靠的精度。而且在GPS控制測量中，如果缺少理想的網(wǎng)形條件，往往會(huì)產(chǎn)生較大的高程誤差。

1　GPS控制在工程測量中的應(yīng)用

1.1應(yīng)用實(shí)例1

以某礦區(qū)的GPS測量為例，具體GPS網(wǎng)略圖如圖1。其中測區(qū)內(nèi)原有的導(dǎo)線點(diǎn)用D1、D2表示，該坐標(biāo)系使用四等水準(zhǔn)高程；C級(jí)GPS測量點(diǎn)用C4～C7表示，該坐標(biāo)系使用的是二級(jí)水準(zhǔn)高程，并以此作為起算的成果。在測量中每個(gè)時(shí)段都使用了6臺(tái)靜態(tài)GPS進(jìn)行觀測，在平差計(jì)算中先將4個(gè)C級(jí)點(diǎn)作為已知點(diǎn)，然后在其中選擇3個(gè)C級(jí)點(diǎn)，以此為已知點(diǎn)，D1、D2和另一個(gè)C級(jí)點(diǎn)作為未知點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在平差位置較差方面，以各點(diǎn)為起算點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果比較平均，沒有超過精度允許的范圍，最大的坐標(biāo)較差是25mm，但是高程較差均已超出了允許誤差范圍，最大高程較差達(dá)到了0.678m，最小較差也達(dá)到了0.052m［1］。

1.2應(yīng)用實(shí)例2

某工程立足于已知點(diǎn)進(jìn)行GPS控制測量，E級(jí)GPS網(wǎng)如圖2～3，其中C1～C4四個(gè)C級(jí)已知點(diǎn)屬于二級(jí)水準(zhǔn)高程，以以上四點(diǎn)的高程作為該控制網(wǎng)的高程起算點(diǎn)。在實(shí)際測量中，測量區(qū)域高程 600～800m，E1、E2共點(diǎn)，C4高程 463m、C3高程396m、C2、C1兩個(gè)點(diǎn)的高程均為150余米。比較二圖可知，在網(wǎng)形結(jié)構(gòu)較差的情況下，平面位置不會(huì)受到太大的影響，但是會(huì)產(chǎn)生較大的高程誤差，E2的誤差達(dá)到了0.457m，E1的誤差達(dá)到了0.234m［2］。

圖1　某礦區(qū)GPS測量示意圖

圖2　某工程測量GPS網(wǎng)

2　造成GPS技術(shù)高程精度誤差的影響因素

2.1GPS高程擬合方法

GPS測量技術(shù)會(huì)對(duì)大地高進(jìn)行測量，然后運(yùn)用水準(zhǔn)測量的方式將正常高得出來，二者的差值就是高程異常，再對(duì)其進(jìn)行擬合，得出似大地水準(zhǔn)面。此時(shí)只需運(yùn)用一定的計(jì)算方法，就能夠?qū)ξ粗c(diǎn)的高程異常進(jìn)行測量。為了克服傳統(tǒng)測量方法中幾何水準(zhǔn)高程值的精度較低的問題，可以運(yùn)用水準(zhǔn)測量來對(duì)高程進(jìn)行測量，減少高程誤差。這種方法是先測量少數(shù)GPS點(diǎn)的高程，再運(yùn)用擬合手段將其他GPS點(diǎn)的高程計(jì)算出來。但是在實(shí)際應(yīng)用中如果擬合模型選擇不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致高程誤差過大［3］。

圖3　某工程測量GPS網(wǎng)

2.2公共點(diǎn)幾何水準(zhǔn)測量精度

在正常情況下，要得到測量點(diǎn)的正常值，只需對(duì)其大地高測量值和高程異常值的值差進(jìn)行控制即可。當(dāng)前往往要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來對(duì)高程異常值進(jìn)行計(jì)算，在獲取數(shù)值的過程中，測量點(diǎn)的幾何水準(zhǔn)高程測量差與GPS大地高之間的差值會(huì)產(chǎn)生較大的影響。如果沒有嚴(yán)格有效的控制水準(zhǔn)測量的精度，就難以保證高程異常值的精度，容易出現(xiàn)高程精度誤差。

2.3GPS大地高的測量精度

要對(duì)GPS的正常高進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，其前提條件就是GPS大地高程觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。系統(tǒng)生成模型誤差、天線對(duì)中誤差、天線整平誤差、接收設(shè)備問題、電離層延遲、多路徑效應(yīng)、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星鐘差一級(jí)衛(wèi)星星歷誤差、關(guān)于衛(wèi)星誤差的相對(duì)論效應(yīng)等都會(huì)影響GPS大地高測量精度。如果是運(yùn)用GPS技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)測繪，往往要保證信號(hào)接收設(shè)備的數(shù)量能夠滿足測量需要，并對(duì)控制點(diǎn)的準(zhǔn)確性進(jìn)行保證，但是在實(shí)際測量工作中往往難以確定采樣觀察時(shí)間，也難以保證信號(hào)接收設(shè)備的數(shù)量和控制點(diǎn)的準(zhǔn)確，容易造成高程精度誤差。

在實(shí)際測量中還有一些主客觀因素也會(huì)對(duì)高程精度造成影響，例如測量現(xiàn)場有磁場、不適合測量的環(huán)境、天線高量取不準(zhǔn)等［4］。

3　提高工程測量中GPS測量精度的具體途徑

3.1對(duì)控制點(diǎn)的布設(shè)進(jìn)行強(qiáng)化

要對(duì)其他控制點(diǎn)的高程值精度進(jìn)行保障，就必須保障高程起算點(diǎn)的精度。因此在工程測量中，應(yīng)該科學(xué)的布設(shè)控制點(diǎn)，對(duì)高程起算點(diǎn)的測量精度和穩(wěn)定性進(jìn)行控制，而且擬合所需的水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量不得少于6個(gè)，并盡量均勻分布。對(duì)于范圍較大的測區(qū)，要提高高程擬合的精度，還可以分區(qū)進(jìn)行擬合模型的構(gòu)建。

3.2對(duì)高程擬合法進(jìn)行合理運(yùn)用

在擬合似大地水準(zhǔn)面時(shí)，數(shù)學(xué)曲面構(gòu)件法是一種比較常用的方法。通過該方法對(duì)大地水準(zhǔn)面進(jìn)行擬合之后，就可以對(duì)GPS測量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，并將待測量點(diǎn)的正常高值計(jì)算出來。在實(shí)際工程測量中，應(yīng)該對(duì)高程擬合法進(jìn)行合理的選擇和運(yùn)用，例如可以選擇二次曲面擬合法、樣條函數(shù)法、多面函數(shù)法、平面擬合法，其中應(yīng)用范圍最廣的是二次曲面擬合法，該方法得出的高程異常值具有相對(duì)較小的誤差。具體測量時(shí)也要根據(jù)不同的觀測環(huán)境來選擇不同的擬合方法［5］。

3.3準(zhǔn)確量取天線高

如果天線高的測量存在誤差，也會(huì)對(duì)高程精度造成影響，而在實(shí)際測量中很多觀測者往往對(duì)天線高測量不夠重視。在進(jìn)行野外測量時(shí)，應(yīng)該將天線的斜高作為測量值，將天線圓盤均分為三等分，然后將其分別放置在不同的方向，測量不同方向的天線高。天線高的測量誤差不得超過3mm，再對(duì)其平均值進(jìn)行計(jì)算。不同的天線類型也會(huì)影響天線高，因此在野外測量時(shí)還要嚴(yán)格的控制相位中心的高度。

3.4修正電離層誤差

衛(wèi)星信號(hào)會(huì)受到大氣電離層的影響，造成信號(hào)的反射和折射，從而使信號(hào)接收的過程中出現(xiàn)偏差，影響高程精度。測量人員可以采取以下措施修正電離層誤差：①多頻觀測修正，也就是在一個(gè)測量點(diǎn)上測量多個(gè)偽距，然后將偽距測量值的折射率計(jì)算出來，得出折射改正數(shù)值。②同步觀測修正。選擇兩個(gè)觀測站，距離不超過20km，同時(shí)進(jìn)行觀測，再以觀測結(jié)果為依據(jù)，計(jì)算電離層的測量精度，從而修正衛(wèi)星信號(hào)的參數(shù)精度，降低高程精度誤差。③電離層模型修正。運(yùn)用電離層模型來對(duì)衛(wèi)星信號(hào)參數(shù)進(jìn)行修正，在電離層模型中納入得出來的參數(shù)，然后進(jìn)行對(duì)比，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的參數(shù)精度進(jìn)行修正。以上三種方法中，修正作用最大的方法是同步觀測修正，能夠使高程精度誤差降到較低值，經(jīng)修正之后的高程精度誤差甚至可以忽略。

3.5選擇合適的測量基站、測量點(diǎn)和測量時(shí)間

如果測量范圍內(nèi)的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，往往容易產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場，周圍的強(qiáng)磁場會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)接受儀對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收，從而影響測量精度。因此應(yīng)該盡量不要選擇地質(zhì)條件過于復(fù)雜的區(qū)域來設(shè)置測量基站和測量點(diǎn)。盡管GPS控制測量受到氣候條件的影響不大，但是在測量時(shí)間的選擇上，還是要盡量避開不良天氣，避免對(duì)流層中的塵埃干擾衛(wèi)星信號(hào)，或者過強(qiáng)的空氣對(duì)流影響衛(wèi)星信號(hào)的接收。要盡量避免測量誤差，應(yīng)該選擇天氣狀況較好的時(shí)間段進(jìn)行工程測量。

4　結(jié)語

GPS測量技術(shù)已經(jīng)在很多工程測量中得到了應(yīng)用，其具有功能齊全、測量效率高的優(yōu)點(diǎn)，然而在平面和測量高程精度方面仍然存在一定的問題，很多因素都會(huì)對(duì)GPS控制測量的高程精度造成影響。因此必須進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)GPS控制測量技術(shù)進(jìn)行探討和研究，繼續(xù)提高GPS控制測量的精度，發(fā)揮其在工程測量中的應(yīng)用價(jià)值。

［1］葉志剛.工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（01）.

［2］趙行鋒.工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析［J］.中外企業(yè)家，2014（08）.

［3］蘇志華，周春柏，劉晚霞.工程測量中GPS控制測量平面與高程精度分析［J］.測繪通報(bào)，2012（03）.

［4］馬保軍.淺析網(wǎng)絡(luò)RTK高程精度的分析及在實(shí)際中的應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（21）.

［5］徐肖豪，楊傳森，劉瑞華.GNSS用戶端自主完好性監(jiān)測研究綜述［J］.航空學(xué)報(bào)，2013，34（3）.

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2095-2066（2016）26-0115-02

2016-8-30