摘要:通過對GPS高程測量制約因素的探討，分析了GPS高程測量制約因素的成因及其減弱或消除辦法，并對GPS高程測量的發展方向提出了一些看法。

關鍵詞二GPS;大地高;高程基準；高程異常

1 引言

GPS(全球定位系統)作為一種高科技的三維測量工具，已被廣泛地運用到測量實際工作中去。它集數據采集、處理、傳輸、分析于一體，受到了測繪界的普遍關注和青睞。國內外大量的測量實踐證明，利用GPS進行平面定位已能達到很高的精度，目前在建立平面控制網的測量中已被廣泛運用。由于我國幅員遼闊，GPS測高受區域性大地水準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的需要。因此，GPS測高還很難在高程控制網中發揮應有的作用。要提高GPS高程測量的精度，就必須探討GPS測高的制約因素和提高GPS測高精度的處理辦法。

2 GPS進行高程測量的原理
2.1 GPS高程測f的基本原理
GPS能夠精確地測出地面點在WGS一84坐標(美國國防部1984年世界大地坐標系)中的三維坐標X,Y,Z，經系統轉換可以得到地面點在局部坐標系中的大地高。由于GPS高程的高程異常值無法直接求得，要把它轉換成我國正在使用的正常高(或海拔高)，目前還受諸多方面的影響，因此，高程異常的確定已成為GPS高程轉換的關鍵。

獲取高程異常值的方法很多，目前常用的方法有利用已有高程異常內插法、二次曲面擬合法、借助重力與地形數據內插法等。
根據 以 上 幾種方法就可以求得高程異常值(0.大地高、正常高與高程異常值的關系如下:
Ho = H, + 夸 (1 )
式中:He為大地高;Hr為正常高;夸為高程異常值。通過 上 式 就可以求得正常高，這就是GPS測量高程的原理。

2.2 GPS高程測f的主要內容
GPS高程測量主要包括三個方面:使用GPS測量大地高(即橢球高);運用一個大地水準面模型;將最終要得到的正常高(或正高)擬合到高程基準面上。
以上三個方面限制了GPS測量高程的精度，它們依GPS測量范圍的不同而影響大小也不一樣，這正是本文所要探討的問題。

3 GPS高程測量的制約因素

3.1 高程基準面的制約因素

3.1.1 大地水準面模型方面的限制
利用GPS求得的是地面點在WGS一84坐標系中的大地高，而我國的《中華人民共和國大地測量法式(草案)》規定，我國高程采用正常高。要想使GPS高程在工程實際中得到應用，必須實現GPS大地高向我國正在使用的正常高的轉化。

由上面GPS的測量原理可知，為了得到正常高H,，我們要知道高程異常值爹。對于長距離，GPS測量也能非常有效地得到大地高，但會遇到大地水準面和高程基準面方面的問題。由于大地水準面按經典的說法是:設想一個靜止的海水面向陸地延伸而形成一個封閉的曲面，其中通過平均海水面的那個水準面稱為大地水準面。但是，隨著現代大地測量的發展、測量精度的提高和多方面的需要，再把它說成與平均海水面重合就不能認為是嚴格的了。因此，我國的黃海高程基準實際上是近似高程系統。
這樣的一個大地水準面模型，其相對精度是很低的，從而也制約了GPS高程測量的精度。

3.1.2 高程基準方面的制約因素
由于我國高程基準面比較多，有大連高程基準、大沽高程基準、廢黃河基準、吳淞基準、1956年黃海高程基準等等，每一個高程基準都由一高程原點推算，有時一個點的高程值由一個或幾個高程基準面來決定。

如果這些高程面的海洋測量或水準測量有誤，都將會使高程基準面的基準偏離真實的重力模型，都會影響GPS高程轉換的精度。

3.2 GPS高程測f方面的制約因素

3.2.1 相位整周模糊度解算對GPS高程的制約
相位整周模糊度解算是否可靠，直接影響三維坐標的精度。在控制測量中，無論采用快速靜態或實時動態測量技術，都必須精確解算得到相位整周數，然而相位整周數模糊度的解算常常會出現解算錯誤的可能性，從而會影響高程測量的精度。

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

3.2.3 電離層延遲對高程剛量的影響
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。從而影響GPS的高程測量的精度。

3.2.4 星歷和參考坐標對高程的制約
衛星的星歷是描述衛星運行軌道的信息，精確的軌道信息是GPS定位的基礎。另外，為測定某點的高程就必須獲得該地區的一個理想的用WGS一84參考位置。衛星星歷質量的好壞及用WGS一84參考位置確定精度等將直接影響GPS的高程測量，可能會產生幾個PPM的影響。

3.2.5 天線高對高程瀏量的影響
天線高是一個明顯的誤差來源。如果使用三腳架，由于高度經常發生變化，外業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，則影響會更大，原因是有效相位中心不在同一高度上。

3.2.6 潮汐對GPS高程測量的影響
潮汐現象(包括陸地潮汐和海洋潮汐)對GPS高程測量也能產生很大的影響，特別是當基線超過100km的情況下，其影響可達到厘米級。
4 提高GPS高測最精度的措施

4.1計算測區擬合大地水準面模型
為了提高高程測量的精度，可以通過計算測區大地高模型并采用內插技術來實現。計算大地高模型實際上就是高程異常的確定。高程異常確定通常分為重力法和幾何解析法兩類。

4.1.1 計算大地水準面的方法
重力法是利用測區內的地面重力測量資料求解大地水準面的非線形變化部分，地域性較強，無法推廣使用。

幾何解析法是通過一次、二次或高次的解析多項式擬合出測區的大地高程模型，進而內插GPS點上的高程異常值。這種方法一般測量作業單位都可以做到。

解析法擬 合大地水準面模型的思路是:
如果已知 某點的正常高，且利用GPS觀測了該點的大地高，則可以精確求得該點的高程異常值。要擬合出測區的大地水準面可在測區內布設若干分布較合理的高程點，這些點既用二等水準測得各點的正常高，又用GPS測得各點的大地高，從而求得各點的高程異常值。然后再用曲面擬合的方法擬合出高程基準面，進而內插出未知點的高程異常值，實現大地高向正常高的轉變。

4.1.2 GPS點大地高轉換為正常高的方法及應注意的問題
由大地高、正常高和高程異常值的關系可知，對于兩點正常高差則有:

8H ,= SH E 一g (2 )
通過GPS相對測量18H,;是可以求得的，而且能夠達到相當于三、四等水準測量的精度要求。所以關鍵是如何獲得一定精度的高程異常at.
獲得高程異常的方法比較多，現將常用的兩種介紹如下:

(1) 利用已有高程異常內插。這種方法，首先是在某些GPS點上聯測水準，獲得這些GPS點的正常高，進而求出高程異常值。對于未聯測水準，待定正常高的GPS點的高程異常，可根據現有的高程異常圖，在用已求出正常高GPS點的高程異常進行擬合的基礎上內插求得。如此就可求取兩GPS點的高程異常差以及正常高差，從而求得待定點高程。
該方法直接、簡便、易行，是目前普遍采用的一種方法。其精度取決于已有高程異常的精度，即與地形、重力等資料分布有密切關系。

(2) 二次曲面擬合。任意點高程異常，可用二次曲面函數表示為
}i= a o+ a,Ax ;+a2紙+a3O山x ?+Q4Ax 借+asd xiAYi } 3)
式中:Ox;.D Y i分別為i點與選定的基準點的坐標差。
如果有6個以上聯測水準的GPS點，就可以有6個以上的方程式，按最小二乘原理解得擬合系數ao,a,,a 2 ......as ，從而利用這些系數求得未聯測GPS點高程異常，再求得其正常高。

GPS高程 轉換時應注意以下問題:

已知點的正常高程精度要高，平差后的GPS觀測值精度要高。在進行高程轉換過程中，應考慮地球橢球面法線與鉛垂線方向的差異(即垂線偏差)的影響。當該差異大于1’時，應考慮由它引起的高程誤差。
在所布設的GPS網中，應盡可能利用原有的高程點的高程，同時還應根據需要適當進行高程聯測。水準重合點的布設應盡可能均勻，而且在網的邊界上布設水準重合點。只有這樣，才可以大大降低內插出的非重合點上的高程異常的不可靠性。如果能事先根據其他的高程異常資料預測到大地水準面的形狀和特征點，通過在特征點上布設重合點，則可以獲得更佳的擬合效果。
如果測區很大，GPS高程轉換時還應采用分區擬合的方法。

4.2 GPS高程測It方面應采取的對策

4.2.1 GPS高程測量應以高精度基準網為參考
為了確保GPS高程測量的精度，必須使區域高程網與高精度的國家網聯系起來。一個工程項目的高程區域網中應該以高精度基準網中的三個或三個以上的高程點為基準。

4.2.2 設備要求
進行GPS高程測量，應使用雙頻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生的衛星信號時延。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。

4.2.3 增加多余觀瀏
在進行GPS高程測量的過程中，應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的影響。

4.2.4 數據采集
當與國家水準點聯測或從新的GPS控制站建立新的水準點時，只能用靜態或快速靜態測量技術，而不能使用動態或實時動態技術。在短時段觀測時，應跟蹤5顆以上的衛星，這樣可獲得高精度的測量成果。當跟蹤衛星數少于5顆時，需要較長的觀測時間，而且衛星的高度角應在15度以上，這樣便可獲得較好的觀測結果。

5 小結
由于GPS測量具有速度快、精度高的特點，很快被廣泛運用到各項測量工作中。但是，在GPS測高方面還有很多巫待研究解決的問題。筆者通過查閱大量的資料，并結合GPS測量的實際工作提出的一些想法和建議，僅供測量同仁參考。究竟GPS測高能達到何種等級，能否向GPS廠商及經銷商所宣傳的那樣能用于控制測量、地形地籍測量、工程測量、海洋測量等領域，還有待于研究探討。