GPS测定正常高方法研究 解海中 董绪荣 徐冬梅 李智 摘 要 本文讨论了应用GPS技术测定正常高的方法，应用GPS代替传统的几何水准方法 测定正常高，具有全天候、快速、节省人力物力等优点。这种方法在工程上有着广阔的 应用前景。 一、前 言 全球定位系统(GPS)技术发展十分迅速，特别是进入90年代末期以来，其应用技术取 得了前所未有的重大进展。1996年3月28日，美国总统克林顿签署“总统决定指令”，宣 布10年内美国政府将逐步取消GPS的SA政策，并继续免费为全球用户提供标准定位服务S PS；1997年3月27日，美国政府又宣布，将对全球民间用户开放L2频率上的C/A码信号， 并保证民间用户可以获得没有人为干扰的L2载波信号；1998年3月30日，美国副总统戈尔 正式宣布了美国政府GPS政策的这一新变化，将在下一代GPS卫星BLOCKⅡF的L2频率上为 民间用户提供C/A码信号。同时还提出了美国政府设置第三民用频率的计划。随着这些举 措的落实实施，将大大提高GPS导航定位的精度、可靠性和稳健性，最终对GPS技术和用 户市场的冲击不久就会展现出来。 目前，GPS已渗透到各应用领域，甚至于人类生活的方方面面。据不完全统计，GPS 应用领域已有500多种，每年还以数十种新应用的增长速度在增加。1993年，GPS接收机 的销量约为5.1亿美元，1997年共计30.74亿美元，到2000年预计将达84.7亿美元，绝大 部分是民用。GPS的发展之快、应用之广远远超出了每个人的想象。正如美国副总统戈尔 在宣布GPS新政策时所说：GPS已成为各行各业经济增长和经济效益的引擎，就像INTERN ET那样，GPS将成为一个全球信息工具，并且正在成为全球迅速崛起的全球信息产业的一 个核心部分。 测绘行业在我国应用GPS技术最早最深入，也是精度最高的应用领域。据较为保守的 统计，我国约有各类GPS接收机10万余台，其中测量型接收机的占有量名列国际前茅。发 展至今，其载波相位测量相对定位精度已达厘米级甚至毫米级，作业方式从原来的静态 测量发展到目前的实时动态测量，作业效率大大提高。以ASHTECH公司推出的Z-12接收机 为例，其定位精度可达±（5mm+1×10-6D)。根据我们的试验结果，其空中机载(飞机速 度为200m/s)动态定位的精度也已达3～5cm。国内外许多试验和实测结果已清楚地证明， GPS测量方法可以取代传统的地面水平控制测量方法(如三角测量、三边测量及导线测量 等)。事实上，在国内外相当数量的测绘部门中，GPS已经取代了传统的测量工具(如经纬 仪、测距仪、全站仪等)。但是，GPS用来测定高程控制，尚有许多问题需要进一步研究 解决，主要有两个，一是GPS给出的是大地高，而我国采用的是正常高系统；二是GPS测 量高程的精度低于水平坐标的精度。因此，GPS测定高程问题一直是国际上GPS测绘应用 领域的重要研究课题。 二、研究利用GPS测定正常高方法的目的与技术指标 1. 目 的 传统的几何水准测量方法，是测绘领域中测定正常高的主要方法。这种方法虽然精 度较高，但实施起来费时费力，作业效率很低。而GPS测量具有全天候、快速、经济等诸 多优点，长期以来，工程应用领域只是利用了GPS测量中的平面位置信息(坐标转换后的 高斯平面坐标)，浪费掉了高程信息，也就是没有充分利用并开发GPS资源。如果GPS水准 方法在一定范围内代替了低等级的几何水准测量，不仅可以获得可观的经济效益，而且 也为通过GPS测量确定大地水准面的研究提供了参考。因此，GPS测定正常高的研究既具 有一定的科学价值，又有非常现实的意义，有着广阔的应用前景。本文旨在研究分析局 部GPS网中，针对工程测量，特别是针对交通勘察设计应用领域中利用GPS取代水准测量 的有关理论及方法。 2. 技术指标 本文提出的技术指标为：每公里路线上，GPS测定的水准高(正常高)相对精度是2cm ，争取达到1.5cm。 三、可行性分析 1. 国外研究情况 国外从80年代末期就开始探索用GPS测定正常高的理论与方法，并作了大量试验研究 。早期的研究结果表明，在地势平坦的区域内，用GPS水准方法，能够获得厘米级精度的 正常高，可以取代三、四等水准测量(Dan.H,USA1992);在地形起伏较大的山区，用GPS与 重力方法相结合也能获得厘米级精度的正高(Rapp,1985)。 2. 国内研究情况 国内有关单位也进行过类似的研究。1992年武汉测绘科技大学在河北某地的试验结 果表明，只要联测其中1/5点的几何水准，拟合出的似大地水准面的精度可达2cm，用GP S测出的正常高的误差约为3cm，当边长缩短至4km以内时，正常高测定精度可达2cm。 3. 近期资料 值得注意的是，上述这些都是90年代初期的结论，时至今日GPS测量技术取得了重大 进展，OTF、RTK等新方法的运用，带来了GPS定位精度和效率的显著提高，据青海石油局 所测12个GPS网、近300个环的统计结果表明：GPS测定的大地高高差的平均精度都在1× 10-6左右。他们对吐鲁番GPS网全约束平差后获得的海拔高平均精度为1.84cm(平均边长 约15km)。郑州测绘学院包欢等人对位于西南山区某地的GPS水准网的研究结果表明，高 程异常的拟合精度可达1.9～5.4cm(平均边长30km)。由于该网地处山区，地形起伏较大 ，若加入地形改正，精度会显著改善。我们与某测绘大队利用某地山区GPS网观测资料， 也取得了厘米级GPS水准高程的精度。 从国外近期的GPS水准结果来看：1997年，芬兰在10000km2范围内，用6台ASHTECHZ -12接收机，观测了两期共96个GPS点，采用了全球重力场模型OSU91A和局部重力场模型 FIN95，获得的水准高精度为15mm。 综上所述，我们认为：利用新一代的GPS接收机(如Z-12)，设计合理的观测方案，采 用最优的数据处理模型与方法，达到每公里高程相对精度1.5～2.0cm是可行的。 四、技术关键与解决方法 如图1所示，工程应用领域，需要的是地面点P沿铅垂线至似大地水准面的距离h(正 常高)，GPS测量的高程是大地高，即点P沿法线至椭球面的距离H(大地高)，两者之差为 高程异常，即 H＝H+ζ (1) 图1 正常高与大地高的关系 若使用本地区参考椭球面为基准，还应考虑到本地椭球面与WGS-84椭球面之间的差 异。因为GPS测得的是以WGS-84椭球面为基准的大地高，所以要顾及两椭球面之间的高程 异常差δζ，计算公式为 (2) ζLocal=ζWGS-84+δζ (3) 式中，X0，Y0，Z0，εx,εy,k为坐标转换参数；B，L，e,N,ζWGS-84相对于WGS-84椭球 。 用GPS测定正常高的关键问题是高程异常ζ的精确求定，这属于精化大地水准面问题 。目前有两种途径： 1. 物理大地测量方法 利用全球或局部重力场模型，再加上重力测量数据和地形数据，按物理大地测量方 法计算大地水准面高，即 ζ=ζGM+ζΔg+ζT (4) 2. 几何方法 按几何方法拟合测区的似大地水准面，优点是原理简单、易于实施，目前常用的拟 合方法有：多项式拟合、曲面拟合、样条函数拟合、多面函数法(包括正双面函数法和倒 双面函数法)、加权平均法、移动法、基于移动原理的多项式拟合、多面函数法等。 上述这些方法各有优缺点，几何方法虽然简单，但精度有限；物理大地测量方法则 需要具备测区重力观测数据和地形数字高程数据。而且这些方法大都是针对GPS网状应用 领域，并不一定适用于交通勘测规划设计领域的线状或带状道路测设问题。 经过理论分析与推证，我们认为，对于线状或带状道路测设工程应用领域，GPS代替 水准测量测定正常高，要实现本文所提出的精度指标，应采用如下基本方案： 第一，线状布点，网状观测与平差； 第二，几何方法与重力场模型相结合。 需要解决的具体技术问题包括： 、?网状观测方案的制定； 、?GPS基线结果的网状平差； 、?全球地球重力场模型的适用性分析、比较与选择； 、?旧水准点的利用与新水准点的布测方案； 、?建立拟合方法的数学模型； 、?核函数及权函数的分析、比较、选优； 、?软件编制与调试； 、?各种方案的实测计算、统计分析与检验、比较与选优。 五、结束语 当前，GPS技术已渗透到了诸多的应用领域，作者撰写本文的目的在于提出应用GPS 进行正常高测定的方法，与同行们共同探讨，希望能为应用GPS进行工程测量提供一些参 考，若本文所提出的方法研究成功，不仅可用于交通勘察规划设计领域，对地形测量和 工程测量也是一个很大促进。 |
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