工程GPS水准测量的精度及其应用.doc

HYPERLINK"http://www.i-power.com.cn/ipower/lib/chtb/index.htm"测绘通报BulletinofSurveringandMapping1999年第11期No.111999
工程GPS水准测量的精度及其应用
岳建平岳东杰
EngineeringGPSLevelling:AccuracyandApplication
YUEJian-ping,YUEDong-jie
摘要：本文根据GPS的基本原理，结合工程测量控制网的具体特点，探讨了GPS测量技术在建立工测水准控制网中的方法和要求，并根据实测资料分析了观测时间、控制点布设等因素对控制点高程精度的影响，讨论了GPS水准测量在工程施工、变形监测等方面的应用前景。关键词：GPS；水准测量；精度；变形监测
一、引言目前，在工程测量中主要采用传统的方法建立高精度的施工控制网，由于受到观测仪器精度等因素的影响，平面控制和高程控制一般分开布设，即用三角测量方法建立平面控制网，用水准测量方法建立高程控制网，这种方法有外业工作量大、受地形、通视、外界条件影响显著等缺陷。由于近几年GPS技术的广泛应用，高精度GPS控制测量已经在许多工程中得到应用，大量的实践数据表明，GPS控制网的平面坐标精度是可靠的，能达到工程测量的要求，但高程方面由于受坐标系不一致的影响，其精度一直被认为不太可靠，这在很大程度上限制了GPS技术的应用，因此，有必要对GPS水准测量的理论和方法进行深入的探讨，以提高其观测精度，从而更广泛地应用于测量领域，为我国的工程建设服务。
二、GPS定位的基本原理GPS定位方法按观测量分类有以下4种：伪距法、多普勒法、载波相位测量法和射电干涉测量法。目前，为提高工作效率、缩断工作时间、并保证必要的观测精度，常采用多种方法相结合的手段，即：以伪距法提供点位的初始值，多普勒法求解相位测量中的整周数，而用相位测量法来测定不足整周的相位差。GPS相对定位是目前GPS测量中精度最高的一种定位方法，已广泛应用于大地测量、精密工程测量等领域中。相对定位的最基本情况是用两台接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。这种方法一般可推广到多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星以确定多条基线向量的情况。由于在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，所以，利用这些观测量的不同组合进行相对定位，便可以有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。GPS观测数据需经特殊的数学处理，才能成为可靠且高质量的应用成果。由于GPS测量获得的观测量(ΔX，ΔY，ΔZ)为世界坐标系WGS-84椭球体上的空间直角坐标，而我们常用的平面坐标系是北京54或西安80坐标系，高程坐标系为正高坐标系，因此，数据处理的目的是将WGS-84的空间坐标转换到当地参考系的平面坐标和高程坐标，在这个处理过程中，要完成平差、转换、投影3个环节。目前常用的数据处理方法有空间强制附合法、空间平差空间转换法等。GPS观测数据经转换、平差等数学处理后，可得到两点间的基线向量及高精度的大地高差，如果已知一点的大地高，即可求得全网各点的大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统，其定义为由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。但是，目前常用的工程测量和高程放样是以铅垂线和水准面为依据的水准测量来实施的，所以，在实际工程中一般不采用大地高系统，而是采用正高系统或正常高系统。正高即地面点沿垂线方向到大地水准面的距离，正常高即地面点沿垂线方向到似大地水准面的距离，其相互关系见式(1)和图1。

(1)
式中：Hi为地面点大地高;Hgi为正高；Hri为正常高；Ni为大地水准面差距；ζi为高程异常。

图1高程系统关系图
由于GPS水准测量得到的是地面点的大地高，而通常的测量工作需要的是正高，因此，为了得到一个点的正高，除了要观测该点的大地高以外，还需要知道该点的大地水准面差距。我国的国家高程系统为正常高系统，因此，为得到某点的正常高，需知道该点的大地高和高程异常值。计算大地水准面差距和高程异常的方法主要有司托克斯方法和莫洛金斯基方法，这些方法都需要大量的重力测量资料，这在一般的工程测量工作中是难以满足的，因此，利用重力测量方法计算大地水准面差距和高程异常值在工程测量中是不切合实际的，需采取其他的方法。如果已知某点的正常高，且利用GPS观测了该点的大地高，则可精确求得该点的高程异常，考虑到工程测量控制网的范围较小，似大地水准面的变化较平缓，因此，可以利用一些联测水准的GPS点，求得各点的高程异常值，再用曲面拟合的方法