【摘　要】　通過對桂中D級GPS網(wǎng)的高程擬合精度分析，探討GPS高程擬合成果的精度與起算點分布、起算成果精度、高程擬合數(shù)學(xué)模型、GPS數(shù)據(jù)處理軟件的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】　GPS 高程異常值 中誤差 曲面擬合 EGM96大地水準(zhǔn)面模型 　

　前言 　　

      全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System-GPS）是美國從本世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、高效率等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等測繪學(xué)科，給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。目前，大多數(shù)的城市首級控制網(wǎng)均采用GPS測量，而其中的高程控制主要采用傳統(tǒng)的幾何水準(zhǔn)測量方法建立高精度的水準(zhǔn)網(wǎng)。GPS高程測量卻常常被忽視，認(rèn)為其精度不太可靠。因此，為探討城市GPS測量高程擬合成果的精度與起算點分布、起算成果精度、高程擬合數(shù)學(xué)模型、GPS數(shù)據(jù)處理軟件的關(guān)系，我院結(jié)合桂中（來賓市）D級GPS網(wǎng)（一）測量GPS高程擬合的工作，對GPS擬合高程的精度進(jìn)行了探討，以供城市測量GPS用戶參考。 

　　1 GPS網(wǎng)高程擬合的技術(shù)要求 　

　1.1 GPS高程擬合成果外部檢核　　

    1.1.1 首先對D級GPS網(wǎng)中的絕大多數(shù)點聯(lián)測二等水準(zhǔn)，選用其中部分點作為GPS高程擬合的起算點，其它沒有參與GPS高程擬合計算的D級GPS點作為外部檢核點，對GPS高程擬合結(jié)果進(jìn)行外部檢核。　

　1.1.2 根據(jù)D級GPS網(wǎng)高程擬合函數(shù)內(nèi)插得到檢核點的高程異常值ζ，通過公式：　　h=H-ζ 　　求得檢核點正常高h(yuǎn)插，然后按照第1.2款進(jìn)行GPS高程擬合精度等級評定。　　1.2 GPS高程擬合精度等級評定　　假定二等水準(zhǔn)測量值h水是真值，通過第1款外部檢核方案，對所得到的GPS高程擬合結(jié)果進(jìn)行精度評定。　

　1.2.1 比較外部檢核點正常高較差值Vh 　

　A、各檢核點GPS高程內(nèi)插值h插與其二等水準(zhǔn)聯(lián)測值h水間正常高較差值Vh，Vh的最大值應(yīng)滿足以下關(guān)系：　　Vh=h插-h水≤±2σ≤±40(mm) 　
　B、檢核點Vh的均方差值（中誤差）m應(yīng)滿足以下關(guān)系：　　m=≤σ≤±20（mm） 

　　1.2.2 比較外部檢核點間內(nèi)插值高差與二等水準(zhǔn)聯(lián)測值高差間的較差DVh 　　相鄰檢核點GPS高程內(nèi)插值兩兩比較得到高差DH插，與其二等水準(zhǔn)高差DH水應(yīng)滿足以下關(guān)系：　
　三等水準(zhǔn)：DVh=Dh插-Dh水≤±12（mm）　
　四等水準(zhǔn)：DVh=Dh插-Dh水≤±20（mm）　
　k為檢核點間基線長度，單位km。　

　1.2.3 比較每公里水準(zhǔn)測量全中誤差Mw 　　各相鄰檢核點高差較差DVh可看作是符合水準(zhǔn)路線的閉合差，按其可計算出每公里水準(zhǔn)測量全中誤差Mw，具體計算公式如下：　　Mw=± 　　其中：N為高差個數(shù)；　　F為比較高差的檢核點間距離，Km；　　每公里三等水準(zhǔn)測量全中誤差Mw≤6mm；　　每公里四等水準(zhǔn)測量全中誤差Mw≤10mm。 　

　2 GPS高程擬合的目的 　　進(jìn)行多種高程起算點分布的擬合試驗，比較不同起算點分布下的高程擬合成果精度，探討GPS高程擬合成果的精度與起算點分布、起算成果精度、高程擬合數(shù)學(xué)模型、GPS數(shù)據(jù)處理軟件的關(guān)系，并確定一套最優(yōu)的GPS擬合高程可達(dá)到四等水準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理方法。 　

　3 GPS高程擬合的方法 　　分別采用《PowerADJ3.0》軟件進(jìn)行曲面擬合的方法擬合計算和采用《TG01.6》軟件進(jìn)行EGM96大地水準(zhǔn)面模型高程擬合計算，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。 

　　4 GPS數(shù)據(jù)處理及高程擬合的試驗結(jié)果分析 　　

    4.1 桂中D級GPS網(wǎng)高程擬合構(gòu)網(wǎng)圖 　

　4.2 GPS觀測　　觀測采用靜態(tài)同步模式，每個時段觀測4小時以上，衛(wèi)星高度角≥15度，歷元間隔15秒，PDOP值小于6.0，觀測衛(wèi)星數(shù)4個以上，觀測時段數(shù)≥2。　　D級GPS網(wǎng)每個時段同步觀測時間均在一個UTC時間內(nèi)完成，沒有跨UTC時間0h。　　觀測前嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范要求對所使用的GPS接收機(jī)進(jìn)行了檢定，檢定合格后方予使用。對GPS觀測所使用到的有關(guān)設(shè)備，如基座、對中器、腳架、量高尺等亦進(jìn)行了檢查，均符合觀測要求。　　本項目觀測同時采用4臺雙頻GPS接收機(jī)為觀測單元進(jìn)行同步圖形觀測，每個同步圖形觀測2個時段，相鄰?fù)�步圖形間重疊點數(shù)為2點。　　外業(yè)觀測時，觀測員都注意防止人員和其它物體碰動或阻擋接收機(jī)天線。架設(shè)天線時，天線安置對中誤差不大于3mm，天線定向線指向磁北，定向誤差不大于±5o。　　每時段觀測前后各量測一次天線高，讀數(shù)精確至1mm。天線高量測時，量測互為120o天線的三個位置，當(dāng)互差小于3mm后，取中數(shù)為本次的天線高；否則，重新架設(shè)、整平儀器，再量取天線高。觀測前后量測的兩次天線高之差均不大于3mm，取平均值作為最后天線高。手簿中詳細(xì)記錄天線高量取的位置及方式。　　須重復(fù)設(shè)站觀測的點不同時段均重新進(jìn)行對中整平進(jìn)行觀測。　

　4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理　　D級GPS網(wǎng)GPS外業(yè)觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理采用隨機(jī)軟件TGO進(jìn)行GPS觀測數(shù)據(jù)下載、RINEX格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)文件命名，按時段號對RINEX格式數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并填寫GPS網(wǎng)外業(yè)記錄登記表；檢核GPS外業(yè)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。經(jīng)初步檢查，本次GPS觀測的數(shù)據(jù)符合要求。　

　4.4 基線向量解算　

　4.4.1 基線解算采用廣播星歷進(jìn)行計算；　

　4.4.2 GPS觀測值加入對流層延遲修正；　

　4.4.3 基線解算采用雙差固定解；　

　4.4.4 GPS網(wǎng)相鄰點基線長度精度符合　　　

　式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)差，單位為mm；d為相鄰點間距離，單位為mm；a為固定誤差，取值為10；b為比例誤差系數(shù)取值為10。　

　4.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核　

　4.5.1 重復(fù)基線的長度較差ds，兩兩比較應(yīng)滿足ds≤2σ（式中σ為相應(yīng)級別的精度，并按實際平均邊長計算）；

　　4.5.2 D級GPS網(wǎng)的同步環(huán)閉合差Wx、Wy、Wz均不得大于/5σ（式中σ為相應(yīng)級別的精度，并按網(wǎng)的平均邊長計算）；

　　4.5.3 D級GPS網(wǎng)的獨立閉合環(huán)或附合路線坐標(biāo)閉合差應(yīng)滿足以下要求：　　Wx≤3σ，Wy≤3σ，Wz≤3σ 　　Ws≤3σ（Ws＝）　　式中：n為閉合環(huán)邊數(shù)，　　σ為相應(yīng)級別的精度（按實際平均邊長計算）。　　

      4.6 D級GPS網(wǎng)的無約束平差　　

當(dāng)觀測數(shù)據(jù)的各項質(zhì)量指標(biāo)經(jīng)檢驗符合要求時，方可進(jìn)行D級GPS網(wǎng)的無約束平差。D級GPS網(wǎng)作一個整體網(wǎng)進(jìn)行平差計算，無約束平差提供基線向量的改正數(shù)、基線的相對和絕對誤差、各點在WGS-84坐標(biāo)系下的空間直角坐標(biāo)和大地經(jīng)緯度坐標(biāo)及大地高、各點的平面坐標(biāo)。基線分量的改正數(shù)絕對值應(yīng)滿足以下要求：　　VΔx≤3σ，VΔy≤3σ，VΔz≤3σ 　　式中：σ為相應(yīng)級別規(guī)定的基線的精度。　　在以上各項精度指標(biāo)均符合設(shè)計書及規(guī)范的要求以后，再進(jìn)行GPS網(wǎng)的高程擬合。　

　4.7 高程擬合的試驗結(jié)果分析　　桂中D級GPS網(wǎng)（一）測量共選埋D級GPS控制點31點（其中利用來賓市舊控制點4個），觀測36點（其中5個是C級GPS點）。31個D級點有29個聯(lián)測了二等水準(zhǔn)。為試驗GPS高程擬合的精度，根據(jù)桂中D級GPS網(wǎng)（一）測量數(shù)據(jù)和二等水準(zhǔn)成果，采用《PowerADJ3.0》和《TG01.6》兩套軟件進(jìn)行多種已知點組合方法來高程擬合，一般采用6個以上GPS水準(zhǔn)點聯(lián)測來高程擬合，少于6個GPS水準(zhǔn)點聯(lián)測采用平面函數(shù)擬合。　

　4.7.1 已知點分布均勻進(jìn)行高程擬合試驗分析　　在桂中D級網(wǎng)中，已知點分布均勻的各種試驗方案精度統(tǒng)計如下表：（單位：mm） 　　注：方案號P字母表示用《PowerADJ3.0》軟件計算，方案號T字母表示用《TG01.6》軟件計算。　　從以上分析，在桂中D級網(wǎng)中，用《TG01.6》軟件采用EGM96大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行高程擬合，最少用10（D004、D006、D007、D011、D012、D021、D024、D025、D026、D029）個大致分布均勻的已知點進(jìn)行高程擬合可達(dá)到四等水準(zhǔn)要求，已知點在網(wǎng)中所占比例為30.6%，在其基礎(chǔ)上隨著已知點的均勻增加，其各項精度指標(biāo)相應(yīng)提高，增加到15個均勻分布的已知點進(jìn)行高程擬合時，其各項精度指標(biāo)均符合三等水準(zhǔn)精度要求，已知點在網(wǎng)中所占比例為41.7%。而用《PowerADJ3.0》軟件采用曲面擬合的方法進(jìn)行高程擬合，最少用12（D003、D004、D008、D010、D011、D014、D022、D024、D025、D027、D030、D031）個大致分布均勻的已知點進(jìn)行高程擬合可達(dá)到四等水準(zhǔn)要求，已知點在網(wǎng)中所占比例為33.3%，在其基礎(chǔ)上隨著已知點的均勻增加，其各項精度指標(biāo)相應(yīng)提高，增加到17個均勻分布的已知點進(jìn)行高程擬合時，其各項精度指標(biāo)均符合三等水準(zhǔn)精度要求，已知點在網(wǎng)中所占比例為47.2%。兩套軟件中待求點與已知點相連基線最好不要超過兩條邊，并隨著基線邊數(shù)的增加，其相應(yīng)待求點的精度就越差。兩套軟件都隨著已知點的增加，精度相應(yīng)變好。　

　4.7.2 擬合高程比較　　兩套軟件計算已經(jīng)符合四等水準(zhǔn)精度要求的各種方案的擬合高程，均在限差之內(nèi)。為檢驗在桂中D級網(wǎng)中高程擬合準(zhǔn)確性，我們又用南方軟件《GPSPro Ver4.0》進(jìn)行高程擬合，最終擬合高程與《PowerADJ3.0》軟件和《TG01.6》軟件擬合的高程非常接近，由此來看，在桂中D級網(wǎng)中，采用3套軟件進(jìn)行高程擬合均符合要求。　

　4.7.3 已知點分布不是很均勻進(jìn)行高程擬合試驗分析　　在桂中D級網(wǎng)中，已知點分布不均勻的情況下進(jìn)行高程擬合，經(jīng)多種方案多種組合試驗，很難達(dá)到四等水準(zhǔn)的精度要求，在此不再分析擬合結(jié)果。 

　　5 結(jié)論 　　

      從以上各種方案試驗成果的分析可得出如下結(jié)論：　　

     在桂中D級網(wǎng)，用《PowerADJ3.0》軟件采用曲面擬合的方法進(jìn)行高程擬合，用12個大致分布均勻的已知點（點占網(wǎng)點數(shù)的33.3﹪）進(jìn)行高程擬合時，待求點的精度可達(dá)到四等水準(zhǔn)要求，隨著已知點的增加，待求點的精度指標(biāo)也就越好，當(dāng)已知點達(dá)到17個時（點占網(wǎng)點數(shù)的47.2﹪），待求點的精度可達(dá)到三等水準(zhǔn)要求；而用《TG01.6》軟件采用EGM96大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行高程擬合時，用10個大致分布均勻的已知點（點占網(wǎng)點數(shù)的27.8﹪）進(jìn)行高程擬合時，待求點的精度可達(dá)到四等水準(zhǔn)要求，隨著已知點的增加，待求點的精度指標(biāo)也就越好，當(dāng)已知點達(dá)到13個時（點占網(wǎng)點數(shù)的36.1﹪），待求點的精度精度可達(dá)到三等水準(zhǔn)要求。因此，在桂中D級網(wǎng)中，采用13大致分布均勻的已知點（點占網(wǎng)點數(shù)的36.1﹪）進(jìn)行高程擬合時，既省時、省力、省錢，又符合四等水準(zhǔn)要求。