GPS技術(shù)在大地測(cè)量中的應(yīng)用
高樹(shù)偉
摘要：GPS技術(shù)以從軍事領(lǐng)域拓展而來(lái)的，其發(fā)展的動(dòng)力就是不斷的對(duì)其精度的需求，并可以提供較高精度的大地測(cè)量服務(wù)。我國(guó)現(xiàn)有的GPS網(wǎng)絡(luò)在某些方面已經(jīng)不能滿(mǎn)足為經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的需求，這主要是因?yàn)槲覈?guó)的A、B級(jí)GPS網(wǎng)絡(luò)的某些特性所決定的，因此要提高為區(qū)域大地測(cè)量的服務(wù)能力，就應(yīng)當(dāng)采取必要的措施提高網(wǎng)絡(luò)的精度和服務(wù)能力。
關(guān)鍵詞：GPS GPS網(wǎng)絡(luò) 大地測(cè)量 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)
一、GPS網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介
GPS技術(shù)隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步完善起來(lái)，其具備了精度高、費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)良的性能，因此被廣泛的應(yīng)用都在大地測(cè)量的過(guò)程中。當(dāng)前，GPS技術(shù)已經(jīng)可以完全取代一些傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器和技術(shù)，并建立起了大地控制網(wǎng)絡(luò)。通常將應(yīng)用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立起來(lái)的地理控制網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)之為GPS網(wǎng)�？偨Y(jié)起來(lái)，GPS 網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)大類(lèi)，一類(lèi)是全球或者全國(guó)性質(zhì)的高精度GPS網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的量級(jí)較大，兩點(diǎn)之間的距離較大，可達(dá)數(shù)千公里，此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的主要作用是為了服務(wù)去全球范圍內(nèi)的用戶(hù)，或者作為全國(guó)范圍內(nèi)的高精度網(wǎng)絡(luò)骨架，為全球地球地質(zhì)研究和空間科學(xué)研究提供服務(wù)，也可用在對(duì)地區(qū)性質(zhì)的版塊運(yùn)行和地殼變形等進(jìn)行研究。另一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)是指那些區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，主要包括了城市、礦區(qū)、省際范圍內(nèi)應(yīng)用的GPS網(wǎng)絡(luò)，或者工程用網(wǎng)絡(luò)等，這一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)兩點(diǎn)間的距離較短，通常在幾公里的范圍內(nèi)，其服務(wù)的對(duì)象是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。
大地測(cè)量的研究任務(wù)是對(duì)地球的形狀變化進(jìn)行研究，并對(duì)其賦予時(shí)間性質(zhì)，因此前面提及的GPS網(wǎng)絡(luò)，即全球網(wǎng)絡(luò)和全國(guó)的GPS網(wǎng)絡(luò)對(duì)其作用較大，長(zhǎng)期以來(lái)建立起全球高精度的GPS網(wǎng)絡(luò)一直是技術(shù)人員的努力方向，其目標(biāo)不僅僅是建立起GPS網(wǎng)絡(luò)，更要提高其精確度。隨著空間技術(shù)和射電望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)提高，目前全球的高精度網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立起來(lái)，并且提高了網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量精度，目前可以到達(dá)1-2m的高精度網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了全球，這為大地測(cè)量的研究和相關(guān)的地質(zhì)研究 打下了基礎(chǔ)。
我國(guó)也分不同的階段完成了國(guó)家級(jí)的A、B級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并可以作為我國(guó)大地測(cè)量的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)框架，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)起到了重要的作用。目前的國(guó)家網(wǎng)絡(luò)特有的高精度可以將我國(guó)傳統(tǒng)的天文大地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面的增強(qiáng)，克服了原有 的天文大地網(wǎng)絡(luò)精度差不均勻、系統(tǒng)誤差較大等這些一傳統(tǒng)技術(shù)手段為基礎(chǔ)的測(cè)量缺陷。通過(guò)計(jì)算A、B級(jí)網(wǎng)絡(luò)與天文大地網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)化參數(shù)，就可以建立起地心參考框架和我國(guó)國(guó)家坐標(biāo)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而拓展了國(guó)家大地測(cè)量的服務(wù)領(lǐng)域。目前利用A、B級(jí)網(wǎng)絡(luò)提供的高精度三維大地坐標(biāo)，結(jié)合高精度的水準(zhǔn)聯(lián)合測(cè)量，已經(jīng)大大提高了我國(guó)的大地水準(zhǔn)面的精度，克服了原有的誤差和缺陷。
二、目前測(cè)量技術(shù)的局限性分析
1、多路徑影響
多路徑的效應(yīng)影響有直接的和間接的，此種影響可以對(duì)三維坐標(biāo)產(chǎn)生分米量級(jí)的干擾。間接影響是指影響求解的整周模糊度。在足夠的觀(guān)察時(shí)間內(nèi)，衛(wèi)星的幾何位置的改變將通過(guò)平均計(jì)算的模式降低其影響，然而當(dāng)觀(guān)察的時(shí)間較短是，此種平均效應(yīng)將減弱，此時(shí)多路徑的效應(yīng)將變大。雖然技術(shù)從技術(shù)角度看，利用設(shè)備和軟件可以對(duì)多路徑效應(yīng)進(jìn)行減弱處理，但點(diǎn)站的選擇來(lái)避免多路徑效應(yīng)與增加多余觀(guān)測(cè)以控制殘存的影響也是十分重要的手段。
2、大地水平面模型影響
GPS網(wǎng)絡(luò)測(cè)量得到的是橢球高度，為了獲得正確的高度，通常需要知道高程的異常指數(shù)。在長(zhǎng)距離的觀(guān)測(cè)中，GPS測(cè)量可以非常方便而有效的得到橢球高，但是會(huì)遇到大地水準(zhǔn)面和高程基準(zhǔn)面的影響。在一些地區(qū)，全球的重力場(chǎng)模型是唯一可以使用的大地水準(zhǔn)面模型。一些最近的全球重力場(chǎng)模型可以拓展成為球體模型，可以較好的控制半度范圍內(nèi)的問(wèn)題。但是現(xiàn)實(shí)中，國(guó)家級(jí)的網(wǎng)絡(luò)模型限制了絕對(duì)的精度和相對(duì)的精度，為提高高程的精度，可以通過(guò)計(jì)算當(dāng)?shù)氐拇蟮馗吣Ｐ团浜蟽?nèi)插技術(shù)來(lái)解決。長(zhǎng)波部分利用GGM進(jìn)行求解，短波部分則利用重力值進(jìn)行求解。精度的高低主要取決于當(dāng)?shù)氐闹亓χ档目煽啃�。高差加大的�?fù)雜地區(qū)，大地的水準(zhǔn)面模型精度也會(huì)隨之降低，雖然可以利用衛(wèi)星測(cè)高和DEMS技術(shù)提高測(cè)量的精度，但是此時(shí)的大地水準(zhǔn)面精度已經(jīng)不是唯一的影響因素，而其與高程基準(zhǔn)面的影響都將成為影響精度的因素。
3、高程基準(zhǔn)面的影響
在很多的地區(qū)，可以使用正常的高度和正高來(lái)定義高程基準(zhǔn)面。但是有的地方定義了多個(gè)高程基準(zhǔn)面，每個(gè)高程基準(zhǔn)面都會(huì)有一個(gè)源點(diǎn)來(lái)推算，此點(diǎn)的高程值是由一個(gè)或者對(duì)個(gè)潮汐的平均海水平面值來(lái)確定。如果此時(shí)的海洋測(cè)量或者水準(zhǔn)測(cè)量出現(xiàn)誤差，就會(huì)直接影響高程基準(zhǔn)面的參考價(jià)值，而偏離真實(shí)的重力模型，此時(shí)可以增加一個(gè)曲面到大地水準(zhǔn)面模型中來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。為了檢驗(yàn)高程基準(zhǔn)面，通常是利用GPS觀(guān)測(cè)至少三個(gè)高程基準(zhǔn)面來(lái)完成測(cè)量。對(duì)于目前的高程基準(zhǔn)面，改進(jìn)對(duì)高程信息的管理，許多數(shù)據(jù)庫(kù)都是只是存儲(chǔ)了正常高或者正高，然而高程基準(zhǔn)慢漸漸的變?yōu)檎�常高和橢球高的結(jié)合形式，這時(shí)必須要對(duì)待其他一些特定時(shí)間有特定質(zhì)量需求的觀(guān)測(cè)值那樣來(lái)對(duì)待大地水準(zhǔn)高度。在觀(guān)測(cè)的操作中如果不進(jìn)行嚴(yán)格的管理，這些不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型將會(huì)變成負(fù)面因素，而將問(wèn)題變得更加的復(fù)雜和模糊，將使得維護(hù)和改進(jìn)高程基準(zhǔn)面變得十分困難。
三、增強(qiáng)對(duì)區(qū)域GPS網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)有利于大地測(cè)量
1、對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充
對(duì)原有的網(wǎng)絡(luò)骨架進(jìn)行補(bǔ)充和加密是較為有效的措施之一。因?yàn)閷?duì)于已有的地面控制網(wǎng)絡(luò)，處理本身的觀(guān)測(cè)點(diǎn)位不能大地密度要求外，人為的一些干擾也對(duì)其造成了較為嚴(yán)重的影響，為了滿(mǎn)足一些城市或者地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)，應(yīng)當(dāng)采用GPS技術(shù)對(duì)重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行控制點(diǎn)位的補(bǔ)充和加密，此種手段對(duì)建立起有效的地區(qū)級(jí)網(wǎng)絡(luò)有著重要的幫助。布置加密網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)盡量與本地區(qū)的高等級(jí)的控制點(diǎn)向重合，以此方便將新老網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而避免一些不必要的工作和控制點(diǎn)誤差的傳遞。為新網(wǎng)的投入和有效工作打好基礎(chǔ)。
2、對(duì)已有的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)
對(duì)于地面控制網(wǎng)絡(luò)因?yàn)榻?jīng)典觀(guān)測(cè)手段的局限性，精度指標(biāo)和定位分布已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市發(fā)展的需求，但是從經(jīng)濟(jì)性和有效性角度考慮，利用新技術(shù)對(duì)老網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)和改造是最為合理的提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的方法。即利用高精度GPS技術(shù)對(duì)原有的地區(qū)性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的改造和升級(jí)，并合理的布設(shè)GPS網(wǎng)點(diǎn)，同時(shí)使之與舊網(wǎng)絡(luò)相重合，并將GPS數(shù)據(jù)和經(jīng)典控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并聯(lián)和平差處理，從而提高服務(wù)能力完成對(duì)舊網(wǎng)絡(luò)的改造。
3、建立多級(jí)網(wǎng)絡(luò)
盡管我國(guó)在上世紀(jì)70年代以前已布設(shè)了覆蓋全國(guó)的大地控制網(wǎng),但由于人為的破壞,現(xiàn)存控制點(diǎn)已不多,當(dāng)在某個(gè)區(qū)域需要建立大地控制網(wǎng)時(shí),首選方法就是用GPS技術(shù)來(lái)建網(wǎng)，并確立多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的策略，即在A、B網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上完善C、D、E級(jí)網(wǎng)絡(luò)。
四、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)論述不難看出，GPS技術(shù)尤其明顯的功能優(yōu)勢(shì)，借助先進(jìn)的觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的大地測(cè)量。但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，對(duì)GPS網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和測(cè)量的精度都提出了更高的要求。在此情況下，GPS的二級(jí)網(wǎng)絡(luò)框架顯然已經(jīng)不能適應(yīng)地區(qū)級(jí)的大地測(cè)量需求，所以只能通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)層次，即增加C、D、E級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)技術(shù)升級(jí)來(lái)提高我國(guó)的GPS網(wǎng)絡(luò)為大地測(cè)量所提供服務(wù)能力，以此實(shí)現(xiàn)更高精度的大地測(cè)量服務(wù)。

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