GPS 静态测量技术在高程测量中的应用

焦迎乐

（河南省许昌水文水资源勘测局，河南 许昌 461000）

0 引言

GPS 全球定位系统，是由美国建立的卫星导航定位系统，利用该系统用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航、定位和测速。目前 GPS 卫星定位技术已广泛应用于测绘、导航等领域，在测绘领域，主要应用于空间大地控制网的布设、工程测量、地形图测绘、航空摄影辅助测量等。

河南省土壤墒情及地下水自动监测系统一期工程于 2010年6月开始建设，当年12月建成并投入试运行。项目共建150处地下水水位自动监测井，依据《地下水监测规范》，需在每处监测井周围设置1个基本水准点，并引测其高程[4]。该项目点多面广，若采用传统的水准仪法进行测量，历时较长，且不经济，经综合考虑，决定引进新的测量方法，即利用 GPS 静态测量技术完成基本水准点高程引测。现以许昌测区为例，探讨该技术在高程测量中的应用步骤和方法及特点。

1 GPS 测量的原理

GPS根据其作用可划分为空间、控制和用户接收等部分。空间部分由6个轨道平面上的24颗卫星组成，用来发射卫星信号；控制部分由分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统构成，用来向卫星上行加载导航和其他数据；用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备等组成，用来接收卫星信号。

GPS 卫星用码分多址的技术，在频率为1575.42MHz 的 L1载波和 1227.60MHz 的 L2载波上广播测距码和导航数据，利用单向到达时间（TOA）测距的概念，导航数据提供给接收机，以确定卫星发射信号时的位置，而测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时，从而确定卫星到用户的距离[6]。基本原理是利用距离交会技术，测量出已知位置的卫星到 GPS 接收机之间的距离， 然后综合多颗卫星的数据，通过一系列方程演算，由地面点的点位坐标就可知道接收机的具体位置。在测绘中主要利用 GPS 的定位功能确定点的三维位置。

2 GPS 静态测量方法和特点

GPS 测量方法包括静态和 RTK 测量，本文主要探讨 GPS 静态测量。该方法是将至少3台双频GPS 接收机安置在基线端点上，保持固定不动，不受通视条件限制，但需同步观测4颗以上卫星。测量时可观测数个时段，每时段观测十几分钟至几十个小时左右。最后将观测数据输入计算机，经基线结算软件处理得到各点坐标。在 GPS 测量的各种方法中，该方法精度最高，主要用于大地、控制、变形、工程等测量。

3 项目实施内容

3.1 GPS 控制网设计

针对本项目建设特点和地下水监测井分布，决定由有地下水自动监测井建设任务的6个地市各自组网完成本辖区内水准点的引测任务，现以许昌测区为例说明测量的方法步骤及注意事项。

此次测量，平面坐标系统采用 1954年北京坐标系，高程系统采用 1985年国家高程基准。首级平面控制布设 D 级 GPS 控制网。GPS 接收机4台，采用网连式，共埋设 GPS 静态点12个，联测1个 D级 GPS 点，3个分布合理的三等水准点，其中1个三等水准点作为检验点。高程测量平面布置图如图1所示。

图1 高程测量平面布置图

此次测量的任务是按照规范[4]要求测定每处地下水自动监测井新设基本水准点的高程，用以测定监测井周围地面、井台、仪器架的高程，使所测地下水位能统一到1985国家高程基准系中，方便地下水水位资料的使用。同时得到各地下水监测井的经纬度，以准确定位。根据使用目的及精度要求，依据校核水准点位置和交通条件，按 E 级 GPS 网来布设平面控制网，已知高程点布设在控制网的外围，并均匀分布，适当地构成长边图形，以保证 GPS 网进行约束平差后坐标精度的均匀性及减少尺度比误差影响。

3.2 GPS 测量外业准备与实施

3.2.1 外业准备

本次 GPS 外业作业准备了4台双频 GPS 接收机，4台水准仪、水准尺等测量工具，为防止工作失误，提高工作效率，编制了 GPS 作业调度表，并编制了 GPS 卫星可见性预报图，选择最佳时段（卫星多于4颗，PDOP 值小于 6）进行观测。

根据前期埋设水准点时的调查，各地下水监测井均位于农田内，视野开阔，无遮挡 GPS 信号的障碍物，周围也无影响 GPS 信号的微波站、信号塔、高压线路、大面积水体等，观测条件较好。

3.2.2 观测工作

3.2.2.1 天线安置

1）利用水准仪和水准尺按四等水准测量标准测量，校核水准点与地下水监测井周围4个方向的高差、井台、仪器架的高差，并做好数据记录。

2）GPS 接收机架设在三角架上，安置在校核水准点上方直接对中，对中误差不超过1mm，GPS 接收机基座上方的圆水准气泡必须整平。

3）GPS 接收机架好后，在圆盘天线的3个方向分别量取仪器高，数值互差不超过3mm，取平均值记入观测手簿[1]。

4）安置完成，各项设备检查无误后，打开 GPS 电源进行预热，等候开机指令进行同步观测。

3.2.2.2 观测作业

1）开机后 GPS 接收机有关指示显示正常后，开始工作。

2）接收机在开始记录数据后，应注意查看有关观测卫星数量等情况。

3）在出测前认真检查电池容量是否充足，观测过程中也要特别注意供电情况。

4）仪器高按规定始、末各量测1次，并及时计入测量手簿。

5）观测站的全部预定作业项目，经检查均按规定完成，且记录与资料完整无误后方可迁站。

6）每日检查仪器内存容量，及时将数据转存到计算机硬盘上。

3.2.2.3 技术指标

1）同时观测有效卫星数 ≥ 4；

2）有效观测卫星总数 ≥ 4；

3）观测时段数 ＞ 1.6；

4）时段长 ≥ 60min[1]；

5）采样间隔 5～15s。

3.3 数据处理及平差计算

为了获得 GPS 观测基线向量并对观测成果进行质量检核，可用不同型号 GPS 接收机随机软件对GPS 数据进行处理，统一文件格式为通用数据交换格式 RINEX，然后选用软件进行基线解算、平差，根据基线处理结果对观测数据的质量进行分析并做出评价，以确保观测成果和定位结果的预期精度。

3.3.1 基线处理与检核

由软件导入观测数据后，会自动形成静态基线，首先对观测数据测站名点号、测站坐标、天线高等项目进行检查。避免外业操作时的误操作；然后设定基线结算的控制参数，实现基线的优化处理。可利用软件的功能实现基线的自动解算，基线解算完毕后，基线结果不能马上用于后续的处理，还必须对基线的质量进行 RATIO，RDOP，RMS，同步环闭和差，异步环闭和差和重复基线较差检验，对不合格的基线查找原因，查明后可以通过基线处理设置或编辑基线时段来重复处理，如果多次处理仍不能求得合格解，则将其剔除。如其在基线控制网中是必不可少的，则需重测这条基线。

3.3.2 网平差

网平差是由软件自动完成的，分以下几步：

1）坐标系、网平差设置，北京 54、二维平差、中央子午线 123、不固定（平移、旋转、缩放）、曲面拟合。

2）已知坐标输入，如经纬度、平面坐标、高程，2个三等水准点，1个 D 级 GPS 点，2个三等水准点的经纬度。

3）提取基线向量构建 GPS 基线向量网、网图检查。

4）无约束平差，在各项质量检核符合要求后，以所有独立基线组成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息，以1点的 WGS-84系三维坐标作为起算依据，无约束平差应提供各控制点在 WGS-84系下的三维坐标，各基线向量3个坐标差观测值的总改正数，基线边长及点位和边长的精度信息。

5）二维平差、水准拟合，在无约束平差确定的有效观测量基础上，在北京54坐标系下进行二维约束平差。以2个三等水准点，1个 D 级 GPS 点作为约束点，将基线网中的其它点坐标转换成北京54坐标。并输出基线向量改正数，基线边长，方位及坐标、边长、方位的精度信息；转换参数及精度信息。

6）质量分析与控制，网平差结束后，对网平差结果进行检验，网平差的检验主要通过改正数、中误差及相应的数理统计检验结果等项来评价分析。

若作为约束的已知坐标与 GPS 网不兼容，应剔除误差大的约束值或改用其它合适的坐标。首先检查基线向量网是否正确，对不合格的基线废除或重新解算，必要时，要重新进行外业观测。其次检查观测文件的观测站点、天线高是否正确，出现这种情况的时候，往往闭合差或自由网的结果非常差。

由测量结果分析，虽存在部分相邻点间平均距离超限，但各点水平分量和垂直分量中误差满足规范中 E 级网的要求，说明测量成果满足规范的质量要求。许昌测区平差成果表如表1所示。西黄庄站实际高程 为 66.524m，GPS 测量高程为 66.500，绝对误差为 0.024m，根据 GPS 测量成果，西黄庄站至许昌站和西黄庄站至新郑站直线距离分别为 12.15和 34.14km，依据《国家三、四等水准测量规范》[2]，四等水准测量最小允许闭合差分别为70mm，因此可判定采用 GPS 静态测量方法进行高程测量是满足相关规范要求的[3]。

表1 许昌测区平差成果表

4 结语

利用 GPS 静态测量来替代四等或等外水准测量，具有效率高，节省人力、物力、财力的特点，在外业观测条件良好，已知高程点分布合理的情况下，GPS 静态测量所测高程可达到《国家三、四等水准测量规范》中四等水准测量的要求[5]，特别是在高程异常变化较为平缓的地区（如平原地区），拟合准确度更高。

因此应根据相应的标准和规范，结合测区具体情况，在满足测量精度的前提下，充分发挥 GPS 静态测量的特点，提高高程控制测量的工作效率。

[1] 国家测绘局测绘标准化研究所，国家测绘局第一大地测量队，国家基础地理信息中心.GB/T18314-2009全球定位系统 （GPS）测量规范[S].北京：中国标准出版社，2009: 2-9.

[2] 国家测绘局测绘标准化研究所.GB/T 12898-2009国家三、四等水准测量规范[S].北京：中国标准出版社，2005: 4-15.

[3] 水利部水文司.SL58-1993水文普通测量规范[S].北京：中国水利水电出版社，1993: 1-11.

[4] 水利部水文司.SL183-2005地下水监测规范[S].北京：中国水利水电出版社，2005: 10-11.

[5] 江苏省测绘工程院，江苏省测绘产品质量监督检验站.DB32/T 1223-2008GPS 高程测量规范[S].南京：江苏省质量技术监督局，2008: 2-4.

[6] 邱致和，王万义.GPS 原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2002: 2-12.