GPS高程测量的精度分析

摘 要：介绍了GPS在市政工程高程测量中的应用，并揭示了造成实践应用不广泛的主要原因—测量精度。进而从GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备以及地面高程的转化四个方面分析了GPS高程测量的精度问题。

关键词：市政工程 高程测量 GPS信号接收机 测量精度

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2013） 11-0008-01

一、引言

在工程测量中，高程测量的精度问题一直被测绘学界的工作者们广泛关注。水准测量的精度较高，但是测量工作量太大、测量速度较慢。相较于水准测量而言，GPS测量高程在效率上有很大的提高。理论与试验研究表明，如果在测量时加上一些特定的措施，GPS的高程测量精度可以达到三、四等水准测量的要求。近年来，随着RTK技术的广泛应用，尤其是多基站连续运行卫星定位服务综合系统在各城市的相继建立，高程测量方法得到了有效扩展，作业效率大大提高，但由于高程异常变化复杂，所以，GPS高程的精度普遍不高，分析影响GPS测量精度的影响因素，提高GPS的测量精度有重要的实践意义。

二、GPS高程测量的影响因素分析

1.与卫星相关的因素。卫星是GPS测量的信息发出点，卫星的分布、数量、稳定性对GPS测量结果的稳定性和精确度影响很大。

（1）卫星的个数及稳定程度。在解算整周模糊度时，至少需要有5颗公共卫星。星数越多，解算模糊度的速度越快、越可靠。当周围高层建筑物密集且有大树时，公共卫星数如果少于5颗，就很难得到固定解。当降低卫星的截止高度角时，公共卫星数将增加，但将使采集的数据含有较低的信噪比，使GPS接收机解算模糊度的时间延长，且观测精度较差，很难满足要求；当周围只是一侧或部分遮挡，此时的卫星个数需根据实际情况而定，如果卫星正好在遮挡物的一侧，此时，可能导致卫星数少于5颗，或者卫星数时而增加，时而减少。这样就会造成测回间的数据精度不稳定；当周围较空矿时，一般都能达5颗或者5颗以上，且卫星个数固定，此时采集的数据精度也比较稳定，但不排除个例。

（2）卫星分布情况。卫星分布用PDOP值（位置精度强弱度，为玮度、经度和高程等误差平方和的平方根）来衡量。PDOP值越小，说明卫星的分布越好，定位精度越高。一般规定，PDOP值应小于6。

2.与卫星信号传播相关的因素。卫星信号要经由大气空间传播到GPS数据接收器上来，在传播过程中，信号可能受到大气层的影响而发生波动，这就会对GPS接收到的数据造成影响，进而影响解算结果，影响测量的精度。

（1）对流层延迟。对流层延迟是指电磁波信号通过高度在50km以下的未被电离的中性大气层时，所产生的信号延迟。一般认为当两测站距离较近时，其对流层延迟是高度相关的，通过差分可被极大地削弱，因此短基线GPS测量中，残余对流层延迟误差常被忽略不计。但在实际中，即使在一个较小的区域范围内，不同位置的气象条件也是有差异的，当这种差异较大时，其带来的残余对流层延迟是短基线GPS测量一个主要的误差来源。天气恶劣时，GPS测量精度随基线长度的增加逐渐降低，尤其是高程方向。当基线大于15km时，精度会明显下降；当基线接近或超过30km时，残余对流层延迟己变得很大，甚至不能解算；因此在炎热潮湿的天气进行GPS测量，即使高差较小，当观测基线较长时，经过标准气象模型改正后仍然存在较大的误差。对于有条件的地区，建立与本地区气象条件相符合的对流层延迟区域模型，可以大大提高GPS测量精度。此外，在春冬季节进行观测的精度一般低于夏秋季，因为其天气变化比较平缓。

（2）电离层延迟。电离层是指高度在60-1000km间的大气层。卫星信号到达GPS接收机之前，要穿过对流层和电离层，其中电离层折射效应非常显著。由电离层折射引起的电磁波传播路径距离误差，沿天顶方向最大可达50m，沿水平方向最大可达150m。在取消了SA政策之后，电离层折射成为影响GPS精度最主要的误差源。电离层的影响大小可以通过电子含量来衡量。电子含量会随时间和空间发生剧烈变化。因此，卫星信号到达基准站和移动站时将有不同的影响。

（3）多路径效应。在GPS测量中，被测站附近的反射物所反射的卫星信号（反射波）如果进入接收机天线，就将和直接来自卫星的信号（直射波）产生干涉，从而使观测值偏离真值，产生所谓的“多路径效应”。多路径效应严重损害GPS测量的精度，严重时还将引起信号的失锁，是GPS测量中一种重要的误差源。多路径效应影响由间接信号的相对幅度、相位、相位速率和延迟所决定。多路径效应对载波相位观测值的影响造成相位偏移，给距离观测带入约5cm的显著性偏差，而对高程影响可以达到±1. 5cm。

3.与接收机相关的因素。GPS接收机是我们最终获得测量数据的载体，其接收的稳定性、位置的偏差都会对测量的结果造成一定的影响。

（1）接收机的时钟误差。GPS接收机上装有高精度的石英钟，尽管其稳定性很高，但对载波相位观测值的影响仍是不可忽视的。通常，我们将各观测时刻的接收机钟差看成是相关的，然后建立一个随时间变化的钟差模型，通过平差计算统一求解。

（2）接收机的位置误差。接收机天线相对测站中心的安置误差，主要是指天线的对中误差以及量取天线高的误差。例如，进行RTK测量时，通过使用定长流动杆来减少量取天线的误差。如果使用三角架，必须对天线高进行多次不同方向的量测。

（3）天线的相位中心位置偏差。在GPS定位中，观测值以接收机天线相位中心位置为准，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化。所以相位中心与理论上的本单位中心位置将有所不同，其对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位来说，这种影响是不能被忽视的。

4.大地高转换成正常高引起的误差。GPS测定的大地高差，具有很高的精度，比相应的经纬度仅低2-3倍，例如后者精度为1*10-6，则前者为2*10-6—3*10-6。因此由大地高转换成正常高，其精度主要取决于高程异常，这就涉及到高程异常求取问题。目前很多城市都有建立自己的精化的似大地水准面。在大范围内，一般使用精化的似大地水准面直接求取。榆林市似大地水准面精化是运用现代大地测量的高新理论和方法，以GPS、水准、重力和DTM等多种数据资料联合确定似大地水准面的格网数值模型。其水准面精化面积达到近1000km2，共完成观测框架点10个，连续观测24小时，水准面精化全面网点144点。GPS外业观测采用了10台LEICA1230双频GPS接收机同时进行，同步图形之间采用网联式连接。天线高的釆量取取斜高、垂高两种方式同时进行。榆林市精化似大地水准面其精度在亚厘米级。在小区域内，常使用几何方法进行高程异常拟合。当地势平坦，数据分布较均匀时，可能达到四等水准精度。

参考文献：

[1] 李宏宾.GPS在市政工程测绘中的应用[J].科技前沿2009，（19）.

[2] 康红星.GPS-RTK技术在控制测量中的应用[J].工程设计与建设，2004.（1）

作者简介：

李琦，（1 9 8 2— ），男，陕西榆林人，现就职于榆林职业技术学院，从事地质和测量相关教学与科研工作。