陈小伟
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摘要：近年来GPS技术得到了广泛的应用，但是科学数据表明，GPS高程测量结果会受到一些因素的影响，从而限制了GPS测量功能的发挥。为了使GPS高程测量在实际中得到更加广泛的应用，本文对GPS高程测量的基本原理和影响因素进行了分析，并给出了相应的控制措施，对我国的GPS高程测量工作有一定指导意义。
关键词：GPS高程测量 影响因素 控制措施
1.前言
当今时代，各行各业都在利用数字化技术来完善并拓展自己的业务范围，在测量方面，仪器的迅速发展，对整个测绘行业的发展起到了积极的促进作用，特别是从GPS技术全面地应用到民用测绘之后，大大地降低了测量员的劳动强度，提高了工作效率，深受广大测绘工作者的好评。对于测绘行业，GPS的应用成为今后很长一段时间内的主流方向。用户在使用GPS时，可以很精确地进行定位，获得二维坐标(X，Y)，目前在建立平面控制网的测量中已被广泛运用。而GPS测高受区域性大地水准面的限制以及仪器和外界条件等多方面的影响，还很难在高程控制网中发挥应有的作用。
2.GPS高程测量技术概述
GPS高程测量的基本原理是借助布设在不同区域的共计24颗导航定位卫星，构建完整的测量体系，为一线工程测量人员提供精确的定位服务，保证测量信息的精确性。GPS高程测量本质上属于测距后方交会的测量方法，技术人员可以通过整合分析卫星的历史数据，判断卫星的具体位置，不仅能够有效压缩工作量，还能帮助技术人员全方位了解相关讯息，准确计算卫星与接收装置的距离，进而获取其位置信息。
目前，GPS技术已全面应用于民用方面，并在许多工程领域得到广泛运用。GPS精密测高向传统的水准测高提出了挑战。两者相比，最大的优点表现在一个测站跨越距离上，GPS测高精度在5～10 km的距离上已达到三等水准测量的精度，在大范围内可接近二等水准的精度。传统水准测量的缺陷，除了作业效率低外，还由于地面折射引起系统误差积累，而且重复水准测量所得的高程变化并不完全是地壳垂直运动，含有因地壳质量迁移而引起的大地水准面变化。相反GPS相对定位具有速度快、精度高、全天候、全自动化的特点，使GPS水准将得到愈来愈多的应用。但是，GPS测高方面存在着大地水准面和高程基准面的制约因素，原因是尽管GPS能给出高精度的大地高，却由于没有一个具有相应精度和高分辨率的似大地水准面模型，致使在GPS大地高至GPS海拔高的转换中精度严重损失。所以GPS高程却运用得不够。常规水准测量可以达到很高的精度，但劳动强度及费用也相对较高。人们期望着能够用GPS高程测量代替传统的水准测量，这样不但可以大大降低劳动强度，也可以降低成本费用，提高工作效率。
3.GPS高程测量的影响因素及控制措施
3.1高程基准面对GPS高程测量的影响及控制措施
在很多地区,使用已知的正常高(或正高)来定义高程基准面。有时定义多个高程基准面,每一个高程基准面都由一个原点(例如验潮站观测点)推算,该点的高程值由一个或几个潮汐的平均海水面值来决定。如果海洋测量或水准测量有误,将会使高程基准面的基准偏离真实的重力模型,但可以增加一个曲面到大地水准面模型加以解决。为了检核高程基准面,常常使用GPS观测至少3个高程基准面点来实现。对于现代的高程基准面,改进对高程信息的管理,许多数据库仅仅贮存了正常高(或正高),然而高程基准面渐渐地变为正常高和椭球高的结合物。因此,必须像对待其他一些在特定时间有特定质量的观测值一样对待大地水准高。如果不仔细管理这些不同的数据类型,将会使问题变得模糊和复杂,将使维护和改进高程基准面变得困难。
3.2多路径效应对GPS高程测量的影响及控制措施
多路径效应是指测站附近反射物反射来自卫星的信号与卫星直接发射的信号同时被接收机接受，这两种信号产生相互影响，使其观测值偏离其真值,产生多路径误差。多路径效应是影响实时GPS测量RTK定位测量中心最严重的误差。多路径效应的影响分为直接的或间接的，并能对三维坐标产生分米级的影响。
在有足够的观测时间时，卫星几何位1的变化将能通过取平均值的方法将其影响减小，然而当观测时间较短时，多路径效应影响将变得很大。多路径效应主要取决于天线周圈的环境,一般误差为5cm,高反射环境下可达19cm,其周期一般为5-20min,这对RTK的移动站是个严重的问题。但多路径效应产生的误差可通过下列措施予以削弱：(1)选择地形开阔、没有反射面的点位;(2)基地站附近辅设吸收电波的材料;(3)采用扼流圈天线;(4)使用绝对检验过的天线,而且要把象位中心变化同多路径效应产生的误差分开;(5)接收机内采用专门滤波器,可削弱数据中的多路径效应产生的误差。
3.3信号干扰对GPS高程测量的影响及控制措施
对于RTK的基地站而言,测试天线周围的电磁波干扰,并不是很难。信号干扰可能有多种原因,干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。改正这些影响没有实际意义,唯一可行的方法是选点时注意以下方面：(1)在测站周围100～500 m范围内,没有VHF、UHF、TV和BP机发射台;(2)避开无线电爱好者的定向发射台;(3)避开用于航空导航的雷达装置。
3.4电离层、对流层对GPS高程测量的影响及控制措施
（1）电离层延迟。由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。电离层折射一般是采用双频观测的方法加以改正，也可以采用模型改正和差分改正，常用的模型包括单层模型和Klobuchar模型。双频观测组合能将电离层延迟抑制在2～4cm范围内，但同时也放大了观测值噪声，破坏了模糊度的整数特性，给GPS定位带来一定负面影响。
（2）对流层延迟。由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。提高对流层折射改正精度通常有两种做法：其一就是完善对流层折射改正模型；其二是采用相对定位差分的方法来削弱对流层延迟影响。在GPS测量中，最常用的模型是Hopfield模型和Saasta2moien模型。
3.5潮汐因素对GPS高程测量的影响及控制措施
潮汐现象(包括陆地潮汐和海洋潮汐)对GPS高程测量也能产生很大的影响，特别是当基线超过100km的情况下，其影响可达到厘米级。虽然一些软件能通过建模来消除这些影响,但在天气剧变时不宜进行测量。
3.6天线高对GPS高程测量的影响及控制措施
天线高对高程测量的影响：天线高是一个明显的误差来源。如果使用三脚架，由于高度经常发生变化，外业要求必须对天线高测量进行严格检查。若天线不是由一个厂家生产，则影响会更大，原因是有效相位中心不在同一高度上。另一个不太明显的问题是天线相位中心变化,天线的机械中心与其电子相位中心一般不重合。而且电子相位中心是变化的,它取决于接受信号的频率、方位角和高度角。因此,不仅需要测量电子相位中心的平均位置相对于天线机械中心的变化,而且要定义整个可见天球的相位中心的变化。
3.7卫星分布不对称对GPS高程测量的影响及控制措施
在确定平面位置时，可以通过对观测时段及对卫星的选择来保证卫星分布的基本对称，从而消除或减弱距离测量中偏差及卫星信号传播过程中的大气延迟误差、星历误差等误差对平面位置的影响。然而对于测高来说，所有被测卫星均在地平面上，卫星分布总是不对称的，许多不对称的误差难以消除，这是高程精度低于平面位置精度的一个重要原因。因而只能通过减少测距误差、大气延迟误差的残差及星历误差等误差来源，来减少由于卫星分布不对称所造成的影响。此外，对基线的长度给予适当的限制，使基线两端所产生的误差具有更好的相关性，也可大大削弱卫星分布不对称对基线两端的高差的影响。
4.结语
本文主要对GPS在高程测量中的应用现状进行简单介绍，并结合GPS测量高程原理，分析就影响GPS测量高程精度主要因素，然后提出了相应的措施和方法，希望对测量人员在使用GPS进行高程测量时起到一定的借鉴作用。在GPS高程测量中还有很多亟待研究解决的问题,还需要我们进一步的研究探讨。
参考文献：
[1]李志方,房丽壮.影响GPS高程测量精度的因素及改进措施[J].城市建设理论研究,2013(29)
[2]温晓勇,张晓林.提高GPS高程测量精度的方法和措施[J].山西建筑,2009,(27)