GPS测高的限制性与可行性研究

概要：GPS已经被广泛地运用并已发展成为一个真正的三维测量工具，然而测高问题仍然是GPS领域函待研究解决的问题。本文讨论了GPS测高的制约因素，包括GPS测量、大地水准面和高程基准面问题，并从变形监测、实时GPS测量和机器监测与导引三个方面论述了GPS测高的可行性。 实际上，GPS测高主要包括三个方面： 1、 使用GPS测量椭球高； 2、 运用一个大地水准面模型； 3、 将最终要得到的正常高（或正高）拟合到高程基准面上。 以上三个方面限制了运用GPS测量高程，它们依GPS测量的范围不同而影响大小也不一样，在本文后面的部份将作详细探讨。 GPS测量方面的限制 相位整周模糊度解算是否可靠直接影响三维坐标，对短边应用快速静态和实时动态（RTK）技术时，必须准确得到相位整周数，由于RTK常常使用最小量的数据，即使最好的算法有时也求解整周模糊度错误，为了发现这些能达到米级的错误，需通过重复观测来获取多余观测量。 星历和参考坐标对三维坐标将产生几个PPM的影响，假定广播星历的质量一直保持如最近那般

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GPS已经被广泛地运用并已发展成为一个真正的三维测量工具，然而测高问题仍然是GPS领域函待研究解决的问题。本文讨论了GPS测高的制约因素，包括GPS测量、大地水准面和高程基准面问题，并从变形监测、实时GPS测量和机器监测与导引三个方面论述了GPS测高的可行性。 
实际上，GPS测高主要包括三个方面： 
　　1、 使用GPS测量椭球高； 
　　2、 运用一个大地水准面模型； 
　　3、 将最终要得到的正常高（或正高）拟合到高程基准面上。 
　　以上三个方面限制了运用GPS测量高程，它们依GPS测量的范围不同而影响大小也不一样，在本文后面的部份将作详细探讨。 

　　GPS测量方面的限制 
　　相位整周模糊度解算是否可靠直接影响三维坐标，对短边应用快速静态和实时动态（RTK）技术时，必须准确得到相位整周数，由于RTK常常使用最小量的数据，即使最好的算法有时也求解整周模糊度错误，为了发现这些能达到米级的错误，需通过重复观测来获取多余观测量。 
星历和参考坐标对三维坐标将产生几个PPM的影响，假定广播星历的质量一直保持如最近那般高，它对短边的影响将达到最小，但在世界上某些地区要获得一个理想的WGS84参考位置（± 10M或更好）却存在着问题。 
　　多路径效应的影响分为直接的或间接的，并能对三维坐标产生分米级的影响。间接影响是指影响求解整周模糊度。在有足够的观测时间时，卫星几何位置的变化将能通过平均将其影响减小，然而当观测时间较短时，例如快速静态和RTK，多路径效应影响将变得很大。尽管硬件和软件能降低多路径效应影响，选择好的站点避免多路径效应以及增加多余观测以发现残存的影响仍然是很重要的。 
　　电离层也对三维坐标产生影响。电离层的影响在基线长于20KM时将变得很大，双频观测量能消去大部份的电离层的影响。这种影响在地极处以及地磁赤道附近要比其它地方大些并随太阳周期变化而变化。因此，在某些地区和某个时间，电离层的影响很大。即使对于短边，对流层延迟也将产生很大的影响，可达到几厘米。大多数软件可通过建模来计算折射数的干分量，但很难对多变的折射数的湿分量来进行建模。对于长基线，可采集数小时的数据，对流层延迟的湿分量能通过规则的时间间隔加以解决（例如每小时一次延迟），但对于短基线只有少量数据可供计算对流层延迟。软件只能对干分量进行建模计算，也只能希望其他残留影响很小。所以对于倾斜度很大的基线，即使边很短也需作长时间观测，以获得可靠的对流层延迟。 
　　潮汐现象、包括陆地潮汐和海洋潮汐也对GPS测高产生影响，基线超过100KM时影响能达到厘米级，一些软件能通过建模来消除这些影响。 
　　天线高是一个明显的误差来源。RTK系统通过使用定长的流动杆来减少这种误差的可能性，如果使用三角架，由于高度经常变化，所以外业要求必须对天线高测量进行检查。 
　　另一个不太明显的问题就是混合使用各种有效相位中心在高度上相差几厘米的不同的天线。国际GPS地球动力学服务组织（IGS）在它的永久跟踪网中使用了各种不同类型的天线，并已发展了模型。当使用同一厂家的天线时，这个问题就变得很小。然而当使用他方基站数据时，就会出现混合使用情况，运用RTK就会导致更多地作用基站数据以及混合使用天线。 

　　大地水准面模型方面的限制 
　　GPS测量得到的是椭球高（图1中的h），为了获得正常高（H），我们需知道高程异常值（N）。对长距离，GPS测量也能非常有效地得到椭球高，但会遇到大地水准面和高程基准面方面的问题。在一些地区，全球重力场模型（GGM）是唯一可使用的大地水准面模型。一些最近的全球重力场模型以扩展的球体为模型，能较好地解决半度（55KM）范围内的问题。然而，即使国家级模型（例如EGM96），其绝对精度也限制在米级，相对精度限制在几分米。 
　　为了提高高程精度，可以通过计算当地大地高模型并采用内插技术。长波部份由GGM计算，短波部份由当地重力值计算。精度的好坏取决于当地重力值的可靠程度。在高差很大地质情况复杂的地区，大地水准面模型精度会很低，近来使用的卫星测高法和DEMS技术也能提高高程精度。然而，大地水准面精度不是唯一的限制性因素，它与高程基准面的联合使用也必须被考虑。 

　　高程基准面方面的限制 
　　在很多地区，使用已知的正常高或正高来定义高程基准面。有时，定义了多个高程基准面，每一个高程基准面都由一个原点（例如验潮站观测点）推算，该点的高程值由一个或几个潮汐的平均海水面值来决定。 
　　如果海洋测量或水准测量有误，将会使高程基准面的基准偏离真实的重力模型，可以增加一个曲面到大地水准面模型加以解决。为了检核高程基准面，常常使用GPS观测至少三个高程基准面点来实现。对于现代的高程基准面，改进对高程信息的管理，许多数据库仅仅贮存了正常高（或正高），然而高程基准面渐渐地变为正常高和椭球高的结合物，因此，必须像对待其他一些在特定时间有特定质量的观测值一样对待大地水准高。如果不仔细管理这些不同的数据类型，将会使问题变得模糊和复杂，将使维护和改进高程基准面变得困难。 

　　变形监测方面的应用 
　　并不是所有的GPS测量都需得出正常高，对于竖向变形监测，可以不把大地水准面和椭球面联系起来考虑。GPS非常适合运用于变形监测的自动重复观测。设计一个GPS监测方案需考虑以下问题： 
　　●整周未知数解 
　　●星历和参考点质量 
　　●多路径效应 
　　●对流层影响 
　　●潮汐现象 
　　●天线问题 
　　考虑到需要联测变形区域内的各个点，需采取静态测量模式作长时间观测，即使对于几百公路里的基线，如果观测几天并用专门的数据处理软件，精度也能达到厘米级。一个更高要求的GPS测高方面的应用要求精度得到毫米级，可以用于监测与全球变暖有关的海水面变化。想了解更详细的内容，参见Neilan et la.(1997) 

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