GPS技術(shù)在大地測量中的應用
高樹偉
摘要：GPS技術(shù)以從軍事領域拓展而來的，其發(fā)展的動力就是不斷的對其精度的需求，并可以提供較高精度的大地測量服務。我國現(xiàn)有的GPS網(wǎng)絡在某些方面已經(jīng)不能滿足為經(jīng)濟發(fā)展服務的需求，這主要是因為我國的A、B級GPS網(wǎng)絡的某些特性所決定的，因此要提高為區(qū)域大地測量的服務能力，就應當采取必要的措施提高網(wǎng)絡的精度和服務能力。
關(guān)鍵詞：GPS GPS網(wǎng)絡 大地測量 網(wǎng)絡升級
一、GPS網(wǎng)絡簡介
GPS技術(shù)隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步完善起來，其具備了精度高、費用低、操作簡單等優(yōu)良的性能，因此被廣泛的應用都在大地測量的過程中。當前，GPS技術(shù)已經(jīng)可以完全取代一些傳統(tǒng)的測量儀器和技術(shù)，并建立起了大地控制網(wǎng)絡。通常將應用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)建立起來的地理控制網(wǎng)絡稱之為GPS網(wǎng)�？偨Y(jié)起來，GPS 網(wǎng)絡有兩個大類，一類是全球或者全國性質(zhì)的高精度GPS網(wǎng)絡，這個網(wǎng)絡的量級較大，兩點之間的距離較大，可達數(shù)千公里，此類網(wǎng)絡的主要作用是為了服務去全球范圍內(nèi)的用戶，或者作為全國范圍內(nèi)的高精度網(wǎng)絡骨架，為全球地球地質(zhì)研究和空間科學研究提供服務，也可用在對地區(qū)性質(zhì)的版塊運行和地殼變形等進行研究。另一類網(wǎng)絡是指那些區(qū)域網(wǎng)絡，主要包括了城市、礦區(qū)、省際范圍內(nèi)應用的GPS網(wǎng)絡，或者工程用網(wǎng)絡等，這一類網(wǎng)絡兩點間的距離較短，通常在幾公里的范圍內(nèi)，其服務的對象是國民經(jīng)濟建設。
大地測量的研究任務是對地球的形狀變化進行研究，并對其賦予時間性質(zhì)，因此前面提及的GPS網(wǎng)絡，即全球網(wǎng)絡和全國的GPS網(wǎng)絡對其作用較大，長期以來建立起全球高精度的GPS網(wǎng)絡一直是技術(shù)人員的努力方向，其目標不僅僅是建立起GPS網(wǎng)絡，更要提高其精確度。隨著空間技術(shù)和射電望遠鏡的技術(shù)提高，目前全球的高精度網(wǎng)絡已經(jīng)建立起來，并且提高了網(wǎng)絡的測量精度，目前可以到達1-2m的高精度網(wǎng)絡已經(jīng)覆蓋了全球，這為大地測量的研究和相關(guān)的地質(zhì)研究 打下了基礎。
我國也分不同的階段完成了國家級的A、B級網(wǎng)絡，并可以作為我國大地測量的基礎網(wǎng)絡框架，為國民經(jīng)濟的建設起到了重要的作用。目前的國家網(wǎng)絡特有的高精度可以將我國傳統(tǒng)的天文大地網(wǎng)絡進行了全面的增強，克服了原有 的天文大地網(wǎng)絡精度差不均勻、系統(tǒng)誤差較大等這些一傳統(tǒng)技術(shù)手段為基礎的測量缺陷。通過計算A、B級網(wǎng)絡與天文大地網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)化參數(shù)，就可以建立起地心參考框架和我國國家坐標的數(shù)學轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而拓展了國家大地測量的服務領域。目前利用A、B級網(wǎng)絡提供的高精度三維大地坐標，結(jié)合高精度的水準聯(lián)合測量，已經(jīng)大大提高了我國的大地水準面的精度，克服了原有的誤差和缺陷。
二、目前測量技術(shù)的局限性分析
1、多路徑影響
多路徑的效應影響有直接的和間接的，此種影響可以對三維坐標產(chǎn)生分米量級的干擾。間接影響是指影響求解的整周模糊度。在足夠的觀察時間內(nèi)，衛(wèi)星的幾何位置的改變將通過平均計算的模式降低其影響，然而當觀察的時間較短是，此種平均效應將減弱，此時多路徑的效應將變大。雖然技術(shù)從技術(shù)角度看，利用設備和軟件可以對多路徑效應進行減弱處理，但點站的選擇來避免多路徑效應與增加多余觀測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)絡測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)。在長距離的觀測中，GPS測量可以非常方便而有效的得到橢球高，但是會遇到大地水準面和高程基準面的影響。在一些地區(qū)，全球的重力場模型是唯一可以使用的大地水準面模型。一些最近的全球重力場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)的問題。但是現(xiàn)實中，國家級的網(wǎng)絡模型限制了絕對的精度和相對的精度，為提高高程的精度，可以通過計算當?shù)氐拇蟮馗吣Ｐ团浜蟽?nèi)插技術(shù)來解決。長波部分利用GGM進行求解，短波部分則利用重力值進行求解。精度的高低主要取決于當?shù)氐闹亓χ档目煽啃浴８卟罴哟蟮膹碗s地區(qū)，大地的水準面模型精度也會隨之降低，雖然可以利用衛(wèi)星測高和DEMS技術(shù)提高測量的精度，但是此時的大地水準面精度已經(jīng)不是唯一的影響因素，而其與高程基準面的影響都將成為影響精度的因素。
3、高程基準面的影響
在很多的地區(qū)，可以使用正常的高度和正高來定義高程基準面。但是有的地方定義了多個高程基準面，每個高程基準面都會有一個源點來推算，此點的高程值是由一個或者對個潮汐的平均海水平面值來確定。如果此時的海洋測量或者水準測量出現(xiàn)誤差，就會直接影響高程基準面的參考價值，而偏離真實的重力模型，此時可以增加一個曲面到大地水準面模型中來克服這個問題。為了檢驗高程基準面，通常是利用GPS觀測至少三個高程基準面來完成測量。對于目前的高程基準面，改進對高程信息的管理，許多數(shù)據(jù)庫都是只是存儲了正常高或者正高，然而高程基準慢漸漸的變?yōu)檎�常高和橢球高的結(jié)合形式，這時必須要對待其他一些特定時間有特定質(zhì)量需求的觀測值那樣來對待大地水準高度。在觀測的操作中如果不進行嚴格的管理，這些不同的數(shù)據(jù)類型將會變成負面因素，而將問題變得更加的復雜和模糊，將使得維護和改進高程基準面變得十分困難。
三、增強對區(qū)域GPS網(wǎng)絡的建設有利于大地測量
1、對原有網(wǎng)絡進行補充
對原有的網(wǎng)絡骨架進行補充和加密是較為有效的措施之一。因為對于已有的地面控制網(wǎng)絡，處理本身的觀測點位不能大地密度要求外，人為的一些干擾也對其造成了較為嚴重的影響，為了滿足一些城市或者地區(qū)的基礎建設，應當采用GPS技術(shù)對重點地區(qū)進行控制點位的補充和加密，此種手段對建立起有效的地區(qū)級網(wǎng)絡有著重要的幫助。布置加密網(wǎng)絡應當盡量與本地區(qū)的高等級的控制點向重合，以此方便將新老網(wǎng)絡有機的結(jié)合起來，從而避免一些不必要的工作和控制點誤差的傳遞。為新網(wǎng)的投入和有效工作打好基礎。
2、對已有的網(wǎng)絡進行檢測
對于地面控制網(wǎng)絡因為經(jīng)典觀測手段的局限性，精度指標和定位分布已經(jīng)不能滿足當前的經(jīng)濟建設和城市發(fā)展的需求，但是從經(jīng)濟性和有效性角度考慮，利用新技術(shù)對老網(wǎng)絡進行升級和改造是最為合理的提高網(wǎng)絡服務能力的方法。即利用高精度GPS技術(shù)對原有的地區(qū)性網(wǎng)絡進行全面的改造和升級，并合理的布設GPS網(wǎng)點，同時使之與舊網(wǎng)絡相重合，并將GPS數(shù)據(jù)和經(jīng)典控制網(wǎng)絡進行并聯(lián)和平差處理，從而提高服務能力完成對舊網(wǎng)絡的改造。
3、建立多級網(wǎng)絡
盡管我國在上世紀70年代以前已布設了覆蓋全國的大地控制網(wǎng),但由于人為的破壞,現(xiàn)存控制點已不多,當在某個區(qū)域需要建立大地控制網(wǎng)時,首選方法就是用GPS技術(shù)來建網(wǎng)，并確立多級網(wǎng)絡的策略，即在A、B網(wǎng)絡的基礎上完善C、D、E級網(wǎng)絡。
四、結(jié)束語
通過論述不難看出，GPS技術(shù)尤其明顯的功能優(yōu)勢，借助先進的觀測和數(shù)據(jù)處理設備，可以實現(xiàn)較高精度的大地測量。但是隨著經(jīng)濟發(fā)展的需求，對GPS網(wǎng)絡建設和測量的精度都提出了更高的要求。在此情況下，GPS的二級網(wǎng)絡框架顯然已經(jīng)不能適應地區(qū)級的大地測量需求，所以只能通過增加網(wǎng)絡層次，即增加C、D、E級網(wǎng)絡，并通過技術(shù)升級來提高我國的GPS網(wǎng)絡為大地測量所提供服務能力，以此實現(xiàn)更高精度的大地測量服務。

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