GPS技术在大地测量中的应用

　　摘要：GPS技术以从军事领域拓展而来的，其发展的动力就是不断的对其精度的需求，并可以提供较高精度的大地测量服务。我国现有的GPS网络在某些方面已经不能满足为经济发展服务的需求，这主要是因为我国的A、B级GPS网络的某些特性所决定的，因此要提高为区域大地测量的服务能力，就应当采取必要的措施提高网络的精度和服务能力。
　　关键词：GPS，GPS网络，大地测量，网络升级
　　一、GPS网络简介
　　GPS技术随着电子计算机技术的发展而逐步完善起来，其具备了精度高、费用低、操作简单等优良的性能，因此被广泛的应用都在大地测量的过程中。当前，GPS技术已经可以完全取代一些传统的测量仪器和技术，并建立起了大地控制网络。通常将应用GPS卫星定位技术建立起来的地理控制网络称之为GPS网。总结起来，GPS网络有两个大类，一类是全球或者全国性质的高精度GPS网络，这个网络的量级较大，两点之间的距离较大，可达数千公里，此类网络的主要作用是为了服务去全球范围内的用户，或者作为全国范围内的高精度网络骨架，为全球地球地质研究和空间科学研究提供服务，也可用在对地区性质的版块运行和地壳变形等进行研究。另一类网络是指那些区域网络，主要包括了城市、矿区、省际范围内应用的GPS网络，或者工程用网络等，这一类网络两点间的距离较短，通常在几公里的范围内，其服务的对象是国民经济建设。
　　大地测量的研究任务是对地球的形状变化进行研究，并对其赋予时间性质，因此前面提及的GPS网络，即全球网络和全国的GPS网络对其作用较大，长期以来建立起全球高精度的GPS网络一直是技术人员的努力方向，其目标不仅仅是建立起GPS网络，更要提高其精确度。随着空间技术和射电望远镜的技术提高，目前全球的高精度网络已经建立起来，并且提高了网络的测量精度，目前可以到达1-2m的高精度网络已经覆盖了全球，这为大地测量的研究和相关的地质研究打下了基础。
　　我国也分不同的阶段完成了国家级的A、B级网络，并可以作为我国大地测量的基础网络框架，为国民经济的建设起到了重要的作用。目前的国家网络特有的高精度可以将我国传统的天文大地网络进行了全面的增强，克服了原有的天文大地网络精度差不均匀、系统误差较大等这些一传统技术手段为基础的测量缺陷。通过计算A、B级网络与天文大地网络之间的转化参数，就可以建立起地心参考框架和我国国家坐标的数学转化关系，从而拓展了国家大地测量的服务领域。目前利用A、B级网络提供的高精度三维大地坐标，结合高精度的水准联合测量，已经大大提高了我国的大地水准面的精度，克服了原有的误差和缺陷。
　　二、目前测量技术的局限性分析
　　1、多路径影响
　　多路径的效应影响有直接的和间接的，此种影响可以对三维坐标产生分米量级的干扰。间接影响是指影响求解的整周模糊度。在足够的观察时间内，卫星的几何位置的改变将通过平均计算的模式降低其影响，然而当观察的时间较短是，此种平均效应将减弱，此时多路径的效应将变大。虽然技术从技术角度看，利用设备和软件可以对多路径效应进行减弱处理，但点站的选择来避免多路径效应与增加多余观测以控制残存的影响也是十分重要的手段。
　　2、大地水平面模型影响
　　GPS网络测量得到的是椭球高度，为了获得正确的高度，通常需要知道高程的异常指数。在长距离的观测中，GPS测量可以非常方便而有效的得到椭球高，但是会遇到大地水准面和高程基准面的影响。在一些地区，全球的重力场模型是唯一可以使用的大地水准面模型。一些最近的全球重力场模型可以拓展成为球体模型，可以较好的控制半度范围内的问题。但是现实中，国家级的网络模型限制了绝对的精度和相对的精度，为提高高程的精度，可以通过计算当地的大地高模型配合内插技术来解决。长波部分利用GGM进行求解，短波部分则利用重力值进行求解。精度的高低主要取决于当地的重力值的可靠性。高差加大的复杂地区，大地的水准面模型精度也会随之降低，虽然可以利用卫星测高和DEMS技术提高测量的精度，但是此时的大地水准面精度已经不是唯一的影响因素，而其与高程基准面的影响都将成为影响精度的因素。
　　3、高程基准面的影响
　　在很多的地区，可以使用正常的高度和正高来定义高程基准面。但是有的地方定义了多个高程基准面，每个高程基准面都会有一个源点来推算，此点的高程值是由一个或者对个潮汐的平均海水平面值来确定。如果此时的海洋测量或者水准测量出现误差，就会直接影响高程基准面的参考价值，而偏离真实的重力模型，此时可以增加一个曲面到大地水准面模型中来克服这个问题。为了检验高程基准面，通常是利用GPS观测至少三个高程基准面来完成测量。对于目前的高程基准面，改进对高程信息的管理，许多数据库都是只是存储了正常高或者正高，然而高程基准慢渐渐的变为正常高和椭球高的结合形式，这时必须要对待其他一些特定时间有特定质量需求的观测值那样来对待大地水准高度。在观测的操作中如果不进行严格的管理，这些不同的数据类型将会变成负面因素，而将问题变得更加的复杂和模糊，将使得维护和改进高程基准面变得十分困难。
　　三、增强对区域GPS网络的建设有利于大地测量
　　1、对原有网络进行补充
　　对原有的网络骨架进行补充和加密是较为有效的措施之一。因为对于已有的地面控制网络，处理本身的观测点位不能大地密度要求外，人为的一些干扰也对其造成了较为严重的影响，为了满足一些城市或者地区的基础建设，应当采用GPS技术对重点地区进行控制点位的补充和加密，此种手段对建立起有效的地区级网络有着重要的帮助。布置加密网络应当尽量与本地区的高等级的控制点向重合，以此方便将新老网络有机的结合起来，从而避免一些不必要的工作和控制点误差的传递。为新网的投入和有效工作打好基础。
　　2、对已有的网络进行检测
　　对于地面控制网络因为经典观测手段的局限性，精度指标和定位分布已经不能满足当前的经济建设和城市发展的需求，但是从经济性和有效性角度考虑，利用新技术对老网络进行升级和改造是最为合理的提高网络服务能力的方法。即利用高精度GPS技术对原有的地区性网络进行全面的改造和升级，并合理的布设GPS网点，同时使之与旧网络相重合，并将GPS数据和经典控制网络进行并联和平差处理，从而提高服务能力完成对旧网络的改造。
　　3、建立多级网络
　　尽管我国在上世纪70年代以前已布设了覆盖全国的大地控制网,但由于人为的破坏,现存控制点已不多,当在某个区域需要建立大地控制网时,首选方法就是用GPS技术来建网，并确立多级网络的策略，即在A、B网络的基础上完善C、D、E级网络。
　　四、结束语
　　通过论述不难看出，GPS技术尤其明显的功能优势，借助先进的观测和数据处理设备，可以实现较高精度的大地测量。但是随着经济发展的需求，对GPS网络建设和测量的精度都提出了更高的要求。在此情况下，GPS的二级网络框架显然已经不能适应地区级的大地测量需求，所以只能通过增加网络层次，即增加C、D、E级网络，并通过技术升级来提高我国的GPS网络为大地测量所提供服务能力，以此实现更高精度的大地测量服务。
　　
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