工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析

工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析

李成兰

武汉市江夏区国土资源与规划局湖北省武汉市430200

摘要：GPS控制测量技术不仅有利于降低作业难度，还有利于提高测量结果的精确度。一般来说，GPS平面测量中基本上不存在精度问题，实际测量中我们应高度重视GPS高程转换问题，此外，还要选取适当的观测时段和合适的截止高度角，合理处理基线结算和闭合差，约束平差，以得到精度更高、更可靠的GPS成果。未来，我们需进一步研究提高高程测量精度的方法。

关键词：工程测量；GPS控制；测量平面；高程精度

前言

随着我国科学技术的不断发展与创新，GPS技术已经得到提高并且广泛应用于我国的经济建设和城市化建设中，尤其在工程测量中GPS控制测量技术发挥了及其重要的作用：一是GPS拟合高程的误差主要来源于高程异常模型的确定。在已知点的分布和密度不合理或地形起伏较大时，会大大降低GPS拟合高程的精度，在20-30km的范围内，其误差可能会超过1m。在地形平缓地区，已知点密度足够且分布合理，则GPS拟合高程还是可用的，反之，则要相当慎重。二是GPS平面测量中对网形要求不甚严，相比于三角网和导线网网形，其要求要低得多，在已知点精度满足要求且分布大致合理的情况下，其平面坐标一般都能满足工程测量要求。

一、GPS的构成简介

通常情况下，GPS系统都是由三大部分构成的，即卫星、地面控制系统和用户，随着我国在航天技术中取得的不断进步，我国在轨卫星的数量不断增多，并且系统信号的接收工作也变得更加的容易了。

1、空间卫星

作为GPS系统的空间主体部分，在系统全面建成后，空间卫星的数量应有24颗，它们应分布在不同的轨道平面上，每一个轨道平面上卫星的数量应超过3颗，其与赤道的夹角通常都为55°，这样在地球上的任何一片区域的任何一个地点，GPS系统都能对其进行实时的定位和观测。

2、地面控制系统

通常情况下，地面控制系统也是分为主控系统、监测系统和注入系统三大部分的，地面控制系统的最主要工作就是及时的改进空间卫星的运行状态，从而保证空间卫星的正常运行。在调整作业完成后，我们应将搜集到的卫星运行的最新资料反馈给相关的设备，最大限度的保证定位的准确度。

3、用户

这里的用户与我们所理解的用户是有着一定的区别的，其并不是特指某一对象，而是指一个服务的整体。GPS系统提供的是实时的定位服务，地面接收机则是其指向的特定设备。地面接收机是由主机、电源和天线所组成的，在接收到卫星传来的信号后，主机会对数据进行分析和处理，从而得出有效的导航数据，最后得到我们所需要的信息。

二、影响高程测量精度的主要因素

1、GPS大地高的测量精度

推算出精度较高的GPS正常高的重要前提之一是获得精度较高的GPS大地高程观测数据。通常，影响GPS大地高测量精度的因素主要有：卫星星历误差、卫星钟差、相对论效应等，这些是和卫星相关的误差；与信号传播有关的误差有对流层延迟、电离层延迟、多路径效应等等；与接收设备相关的误差有天线对中误差、天线整平误差、量取天线高引起的误差、由天线相位中心导致的误差等；在星历、已知点三维坐标的影响下、或者选用有误差的模型的影响下导致数据处理产生误差。当进行GPS静态定位测量时，必须要确保控制点位置的准确性，安置足够数量的接收机，确保得到的观测数据满足要求（采样率时间以及观测时段的时间通常要在25min以上），仔细明确卫星的截止高度角和天线高度，这些都可以在一定程度上减小甚至完全避免上面提到的影响因素，确保高程测量达到要求的高精度。

2、公共点几何水准测量精度

通常，控制测量点的大地高与高程异常值的差值就可以得到正常值。其中高程异常值是运用数学方法拟合得到的，并且与测区某些点的GPS大地高和相应的几何水准高程测量值的差值有关。所以不难看出，要想得到高精度的高程异常值，就必须要求有高精度的几何水准测量起算点，还要注意的是，在工程测量中，水准测量本身的精度等级也是有严格要求的。

3、GPS高程拟合的方法

大地高减去正常高就得到了高程异常（大地高是由GPS测量得到的，正常高是由水准测量得到的），再由高程异常拟合出似大地水准面，然后通过解算得出未知点的高程异常，这就是GPS高程拟合的基本原理。虽然通过传统的方法测量得到的几何水准高程值具有很高的精度，但是在实际的工程施工测量中，存在很多苦难，如工作量巨大、测量费用高、观测所需的时间较长，在一些山丘等地质情况复杂的地区，其测量值达不到工程所要求的精度等等。因此我们可以采用水准测量方法进行测量，即对很少一部分的GPS点进行高程测量，然后利用高程拟合技术手段解算出剩下相关GPS点的高程。因此，选择合适的大地水准面拟合模型，并对其进行准确的计算，都有益于得到高精度的控制点高程。

4、公共点的密度以及其分布状况

除了上述三方面以外，满足要求数量的高程控制点，较为均匀的分布在测区范围内，都能提高高程拟合的整体精度。

三、提高GPS高程测量精度的措施

1、针对大地高测量采取的方法

（1）差值运用同步观测量来求

在工程GPS控制测量中，利用同步观测量求差是较为简单有效的数据处理方法。同步求差法具有明确的理论依据，即观测距离相距在20km以内的情况下，这两个同步观测站所受到的对流层影响、卫星星历误差以及电离层的影响都可以看做是基本没有差别的，并且运用同步求差法就可以将存在的误差进一步减小到忽略不计。但是，运用这种方法的前提条件必须满足两个观测站是同步进行观测的，他们之间的距离必须保证不超过20km。

（2）站址的选择也很重要

虽然没有要求GPS观测站之间必须能够互相看得见，但是恰当选择合适的观测点位置是很有必要的，不仅要严满足照相关规定，还要根据具体的工程测量环境，灵活多变的制定最适合的站址选择方案。

（3）天线高的量取要确保正确

如果天线高测量存在误差，将会导致GPS高程的严重误差，因此，我们要给予天线高的测量应有的高度重视。通常，在野外作业时，将天线的斜高作为测量值，在测量过程中将天线圆盘以120°为间隔分为三个方向，分别测量这三个方向的天线高，并且要保证这三个测量结果的误差在3mm之内，然后取平均值。除此之外，由于在野外作业时所用到的天线类型不尽相同，要注意相位中心的高度会随之有所变化。

2、选用合理的高程拟合数学模型

通常，我们首先构造出一种数学曲面来拟合似大地水准面，然后利用其推算出GPS测量区域内控制点的正常高以及待定点的正常高。常用的拟合方法有平面拟合法、二次曲面拟合法、样条函数法以及多面函数法。由于二次曲面拟合法一般能够得到较高精度的高程异常值，因此常常被采用，当然我们也要结合观测地区的实际地形地貌进行选择。

3、关于高程控制点

高精度的高程起算点是使通过拟合得到的各GPS高程点达到测量标准的重要关键之一，而高程起算点的精度包括其点位的稳定性和测量精度等级。与此同时，拟合所需的水准点尽可能满足均匀分布，并且要求有6个或6个以上。当所测区域面积较大且存在较大地形差别时，可将测区分块分别建立拟合模型，这将有效保证高程拟合精度。

结束语

总之，随着科学技术的进一步发展，GPS接收测量仪的不断改进，特别是结合GIS、遥感、计算机等多种技术而推动的测量技术改进，将大大提高工程测量的精度和测量质量，极大的为现代工程设计、施工提供便利条件。

参考文献：

[1]叶志刚.工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析[J].测绘通报，2014（08）

[2]郭晓华.探讨工程测量中GPS控制测量平面与高程精度[J].中国房地产业，2013（12）

[3]汤小文、郑家志.GPS测量技术及其在工程测量中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2014（03）.

[4]赵家仁.探讨GPS技术在桥梁工程测量的应用[J].科技风，2012（13）.