GNSS水准测量方法研究及精度分析
发表时间：2018-02-05T13:50:37.800Z 来源：《防护工程》2017年第28期作者：李明彭安华
[导读] GNSS测量技术以其快速、全天候、无须通视、精度高、操作简便、自动化高等特点赢得广大测绘工作者青睐。
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摘要：GNSS测量技术以其快速、全天候、无须通视、精度高、操作简便、自动化高等特点赢得广大测绘工作者青睐。GNSS能精确测定地面点的大地高，其基准面是参考椭球面；而我国使用的正常高基准面是似大地水准面，所以GPS高程不能直接应用到工程测量中。如何将GNSS精确测得的大地高转化为正常高，成为解决GNSS高程代替常规水准的关键。
关键词：大地高；正常高；方法研究；精度分析
引言
作为GNSS家族中的先驱，GPS最早出现在19世纪80年代。随着格洛纳斯、伽利略、北斗系统的日趋完善，GNSS家族不断壮大，其速度快、自动化程度高、精度高、使用范围广、全天候作业等特点让深爱他们的广大测量工作者越来越广泛应运于各行各业的测绘工作中。在各行各业的测绘工作中，GNSS的平面精度毋庸置疑，然而由于我们国家采用的坐标系并非严密的笛卡尔坐标系，平面和高程的参考面不统一导致GNSS虽然能测得高精度的大地高，但正常高的测量精度始终不理想。因此，如何应用GNSS来精确测量正常高成为测绘界翘首以盼期待解决的新课题。
1 GNSS测量误差来源
为寻求GNSS高程代替常规水准高程的方法，必须清楚GNSS测量高程的误差来源。GNSS测量中影响观测精度的因素众多，与卫星系统有关的误差包括测量原理误差、卫星钟差、卫星轨道偏差、相对论效应导致的误差；与卫星信号传播有关的误差有电离层折射、对流层影响、多路径效应；与接收终端设备相关的误差包括天线相位偏差、接收机钟差、观测误差、载波相位观测整周未知数影响等。随着GNSS技术的不断完善和广泛应用，这些误差均有一定方法加以消除或减小误差，本文着重讨论在采取措施后获取高精度大地高之后将大地高转化为较高精度正常高的方法。
2 GNSS水准测量的方法研究
GNSS高程是以WGS-84参考椭球面为基准面的大地高，我国现行的高程系统是以似大地水准面为基准面的正常高。大地高与正常高之间的差距实际上就是两个基准面之间的差距即高程异常。由于各基准面的特性，高程异常值并非常量。为了将GNSS测定的大地高转换为正常高，以代替作业效率不高的几何水准测量，需要高精度的高程异常值，高程异常差的精度要与几何水准精度相适应。因此将大地高转化为高精度的正常高的关键是高精度的求取相应精度的高程异常值，求取高程异常的方法也就是GNSS水准测量的方法。
2.1 天文水准法
天文水准是利用天文大地垂线偏差推算大地水准面差距或高程异常的方法。垂线偏差分量用天文经纬度和大地经纬度计算。利用CCD 天顶摄影仪获得天顶星空的恒星像片坐标，守时记时和电子星表的应用可得到测点的天文经纬度，GNSSS测量确定测点的大地坐标，利用点距较近的垂线偏差数据和距离可以求得相当于四等水准精度的高程。
2.2 重力位模型法
利用卫星观测资料和重力测量资料，以球谐级数建立地球重力场模型和高程异常模型的方法，得到了广泛的利用。其优点在于适用于全球，只要给定待求点的地理位置，便可在计算机上计算出相应的大地水准面高程。它所确定的大地水准面高程属于地心参考系统，易于和GNSS测量基准相联合。
2.3 GNSS高程拟合法
GNSS高程拟合法是利用一定数量的已知高程点，从而利用已知大测正常高和大地高求取已知点的高程异常值，把测区的似大地水准面假想为平面、多项式曲面、多面函数曲面或其它数学曲面去拟合已知高程异常的点，再到拟合的曲面中内插求取其它点的高程异常值，从而求取正常高。拟合方法需根据当地地形情况和已知点确定，在平原地区可采用零次多项式拟合，仅需确定一个参数，需要至少一个已知点；地形较复杂地区则需采用一次多项式拟合，需要确定三个参数，则至少需要三个已知点；地形复杂区域则需采用二次多项式拟合，需要确定留个参数，因此至少需要六个以上已知点；更复杂的区域则需要分区拟合或多曲面拟合，需要更多的已知点。为了减少内插误差，已知点尽量分布均匀。
2.4 区域似大地水准面精化成果平差法
似大地水准面是我国高程系统的基准面。似大地水准面只是通过一定的数学关系对应于地面的一个几何曲面，是不具有物理意义的水准面。区域似大地水准面精化是综合利用水准成果、重力资料、地形资料、重力场模型，按照一定的分辨率，采用物理大地测量理论与方法，应用移去-恢复技术确定区域性精密似大地水准面。换句话说，利用区域似大地水准面精化成果和大地坐标求取正常高。
以上几种GNSS水准测量方法中，天文水准法受天文观测条件及垂线偏差精度限制，重力位模型法受重力测量资料的精度和密度限制，这两种方法在工程测量中推广难度较大。采用足够精度和密度的水准控制点，利用合适的拟合方法，GNSS高程拟合法普遍应用到工程测量中。随着计算机技术的不断发展，大数据、云等技术的不断完善，似大地水准面精化的分辨率不断提高，通过似大地水准面精化成果平差获取正常高的可行性越来越高。
3 GNSS水准测量精度分析
为验证GNSS水准测量精度，本文引用某一控制网施测数据加以精度分析。控制网为某高速公路首级控制网，呈东西向带状分布，采用双频GNSS按三等精度施测，同时施测三等水准。成果如下：（单位m）