工程测量中GPS控制测量平面与高程精度分析

2016-10-18安徽省水利水电勘测设计院勘测分院安徽蚌埠233000

低碳世界 2016年26期

穆　宁（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽蚌埠233000）

穆宁（安徽省水利水电勘测设计院勘测分院，安徽蚌埠233000）

在工程测量中，GPS技术得到了广泛的应用，并逐步取代了传统的测距和测角手段。一般在具有较大面积的面状城市的基础控制网测量中，能够形成比较理想的GPS网形。但是在很多工程测量中，由于存在较少的已知点，GPS控制网的精度可能会受到影响。本文对GPS技术在工程测量中的应用进行了简要的分析，并分析了影响GPS高程测量精度的主要因素，以及提高GPS高程测量精度的具体途径。

GPS控制测量平面；高程精度；工程测量

引言

20世纪80年代开始，GPS测量技术开始出现并逐步投入使用，其主要包括用户设备、地面监控系统和空间卫星星座，卫星所发射的无线电信号会由GPS导航定位接受，从而完成测量工作。然而GPS控制测量的精度难以进行直观的控制，当前GPS商业平差软件也不能显示出可靠的精度。而且在GPS控制测量中，如果缺少理想的网形条件，往往会产生较大的高程误差。

1　GPS控制在工程测量中的应用

1.1应用实例1

以某矿区的GPS测量为例，具体GPS网略图如图1。其中测区内原有的导线点用D1、D2表示，该坐标系使用四等水准高程；C级GPS测量点用C4～C7表示，该坐标系使用的是二级水准高程，并以此作为起算的成果。在测量中每个时段都使用了6台静态GPS进行观测，在平差计算中先将4个C级点作为已知点，然后在其中选择3个C级点，以此为已知点，D1、D2和另一个C级点作为未知点进行计算。根据计算结果发现，在平差位置较差方面，以各点为起算点的计算结果比较平均，没有超过精度允许的范围，最大的坐标较差是25mm，但是高程较差均已超出了允许误差范围，最大高程较差达到了0.678m，最小较差也达到了0.052m［1］。

1.2应用实例2

某工程立足于已知点进行GPS控制测量，E级GPS网如图2～3，其中C1～C4四个C级已知点属于二级水准高程，以以上四点的高程作为该控制网的高程起算点。在实际测量中，测量区域高程 600～800m，E1、E2共点，C4高程 463m、C3高程396m、C2、C1两个点的高程均为150余米。比较二图可知，在网形结构较差的情况下，平面位置不会受到太大的影响，但是会产生较大的高程误差，E2的误差达到了0.457m，E1的误差达到了0.234m［2］。

图1　某矿区GPS测量示意图

图2　某工程测量GPS网

2　造成GPS技术高程精度误差的影响因素

2.1GPS高程拟合方法

GPS测量技术会对大地高进行测量，然后运用水准测量的方式将正常高得出来，二者的差值就是高程异常，再对其进行拟合，得出似大地水准面。此时只需运用一定的计算方法，就能够对未知点的高程异常进行测量。为了克服传统测量方法中几何水准高程值的精度较低的问题，可以运用水准测量来对高程进行测量，减少高程误差。这种方法是先测量少数GPS点的高程，再运用拟合手段将其他GPS点的高程计算出来。但是在实际应用中如果拟合模型选择不当，就会导致高程误差过大［3］。

图3　某工程测量GPS网

2.2公共点几何水准测量精度

在正常情况下，要得到测量点的正常值，只需对其大地高测量值和高程异常值的值差进行控制即可。当前往往要运用数学方法来对高程异常值进行计算，在获取数值的过程中，测量点的几何水准高程测量差与GPS大地高之间的差值会产生较大的影响。如果没有严格有效的控制水准测量的精度，就难以保证高程异常值的精度，容易出现高程精度误差。

2.3GPS大地高的测量精度

要对GPS的正常高进行准确的计算，其前提条件就是GPS大地高程观测数据的准确。系统生成模型误差、天线对中误差、天线整平误差、接收设备问题、电离层延迟、多路径效应、对流层延迟、卫星钟差一级卫星星历误差、关于卫星误差的相对论效应等都会影响GPS大地高测量精度。如果是运用GPS技术进行静态测绘，往往要保证信号接收设备的数量能够满足测量需要，并对控制点的准确性进行保证，但是在实际测量工作中往往难以确定采样观察时间，也难以保证信号接收设备的数量和控制点的准确，容易造成高程精度误差。

在实际测量中还有一些主客观因素也会对高程精度造成影响，例如测量现场有磁场、不适合测量的环境、天线高量取不准等［4］。

3　提高工程测量中GPS测量精度的具体途径

3.1对控制点的布设进行强化

要对其他控制点的高程值精度进行保障，就必须保障高程起算点的精度。因此在工程测量中，应该科学的布设控制点，对高程起算点的测量精度和稳定性进行控制，而且拟合所需的水准点数量不得少于6个，并尽量均匀分布。对于范围较大的测区，要提高高程拟合的精度，还可以分区进行拟合模型的构建。

3.2对高程拟合法进行合理运用

在拟合似大地水准面时，数学曲面构件法是一种比较常用的方法。通过该方法对大地水准面进行拟合之后，就可以对GPS测量点进行计算，并将待测量点的正常高值计算出来。在实际工程测量中，应该对高程拟合法进行合理的选择和运用，例如可以选择二次曲面拟合法、样条函数法、多面函数法、平面拟合法，其中应用范围最广的是二次曲面拟合法，该方法得出的高程异常值具有相对较小的误差。具体测量时也要根据不同的观测环境来选择不同的拟合方法［5］。

3.3准确量取天线高

如果天线高的测量存在误差，也会对高程精度造成影响，而在实际测量中很多观测者往往对天线高测量不够重视。在进行野外测量时，应该将天线的斜高作为测量值，将天线圆盘均分为三等分，然后将其分别放置在不同的方向，测量不同方向的天线高。天线高的测量误差不得超过3mm，再对其平均值进行计算。不同的天线类型也会影响天线高，因此在野外测量时还要严格的控制相位中心的高度。

3.4修正电离层误差

卫星信号会受到大气电离层的影响，造成信号的反射和折射，从而使信号接收的过程中出现偏差，影响高程精度。测量人员可以采取以下措施修正电离层误差：①多频观测修正，也就是在一个测量点上测量多个伪距，然后将伪距测量值的折射率计算出来，得出折射改正数值。②同步观测修正。选择两个观测站，距离不超过20km，同时进行观测，再以观测结果为依据，计算电离层的测量精度，从而修正卫星信号的参数精度，降低高程精度误差。③电离层模型修正。运用电离层模型来对卫星信号参数进行修正，在电离层模型中纳入得出来的参数，然后进行对比，对卫星信号的参数精度进行修正。以上三种方法中，修正作用最大的方法是同步观测修正，能够使高程精度误差降到较低值，经修正之后的高程精度误差甚至可以忽略。

3.5选择合适的测量基站、测量点和测量时间

如果测量范围内的地质条件比较复杂，往往容易产生较强的磁场，周围的强磁场会影响卫星信号接受仪对卫星信号的接收，从而影响测量精度。因此应该尽量不要选择地质条件过于复杂的区域来设置测量基站和测量点。尽管GPS控制测量受到气候条件的影响不大，但是在测量时间的选择上，还是要尽量避开不良天气，避免对流层中的尘埃干扰卫星信号，或者过强的空气对流影响卫星信号的接收。要尽量避免测量误差，应该选择天气状况较好的时间段进行工程测量。