作者：宋磊

GPS已经被广泛地运用并已发展成为一个真正的三维测量工具，然而测高问题仍然是GPS领域函待研究解决的问题。南方GPS 在国内的各个行业应用十分广泛，并且平面精度达到了5+1ppm,但是高程的精度呢？在很多用户的心中就有这样的意识：用GPS测量平面精度是肯定没任何问题，但是高程往往不用或者不敢用。真实的情况呢？本文将集中讨论GPS测高的制约因素，包括GPS测量、大地水准面和高程基准面问题，并从变形监测、实时GPS测量和机器监测与导引三个方面论述了GPS测高的可行性。

　　GPS测高主要包括三个方面：

　　1、 运用GPS测量椭球高；
　　2、 获得一个大地水准面模型；
　　3、 将终要得到的正常高（或正高）拟合到高程基准面上。

　以上三个方面限制了运用GPS测量高程，它们依GPS测量的范围不同而影响大小也不一样，在高程基准面的一定范围内也受到重力的影响。首先探讨的是：

GPS测量方面的限制

　　相位整周模糊度解算是否可靠直接影响三维坐标，对于相对静态定位模式由于采集的时间都比较长，（南方9600一般达到45分钟，边长越长时间随之增加），数据量较多，对于整周模糊度解算可以达到很高的精度，对三维坐标的影响在精度范围内。对短边应用快速静态和实时动态（RTK）技术时，必须准确得到相位整周数，由于RTK常常使用小量的数据，即使好的算法有时也求解整周模糊度错误，为了发现这些能达到米级的错误，需通过重复观测来获取多余观测量。另外，星历和参考坐标对三维坐标将产生几个PPM的影响，假定广播星历的质量一直保持如近那般高，它对短边的影响将达到小，但在世界上某些地区要获得一个理想的WGS84参考位置（± 10m或更好）却存在着问题。

　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。间接影响是指影响求解整周模糊度。在有足够的观测时间时，卫星几何位置的变化将能通过平均将其影响减小，然而当观测时间较短时，例如快速静态和RTK，多路径效应影响将变得很大。尽管硬件和软件能降低多路径效应影响，选择好的站点避免多路径效应以及增加多余观测以发现残存的影响仍然是很重要的。

　　电离层也对三维坐标产生影响。电离层的影响在基线长于20km时将变得很大，双频观测量能消去大部份的电离层的影响。这种影响在地极处以及地磁赤道附近要比其它地方大些并随太阳周期变化而变化。因此，在某些地区和某个时间，电离层的影响很大。即使对于短边，对流层延迟也将产生很大的影响，可达到几厘米。现在南方软件可以对电离层的影响进行去除，效果不错。对于长基线，可采集数小时的数据，对电离层和对流层进行有规律的间隔来减弱，就是我们所说的采集间隔的设置和解算时调整间隔。对于短基线，由于数据相对也会较少，所以对流层的影响是很大的。对于倾斜度很大的基线，即使边很短也需作长时间观测，以获得可靠的对流层延迟。

　　潮汐现象、包括陆地潮汐和海洋潮汐也对GPS测高产生影响，基线超过100km时影响能达到厘米级，南方软件在这里应该做些处理，这样在沿海的精度会更高。

　　另外在使用很多厂家的GPS同时观测时，不同的相位中心将对测量产生很大的影响，当使用同一厂家的天线时，这个问题就变得很小。然而当使用他方基站数据时，就会出现混合使用情况，运用RTK就会导致更多地作用基站数据以及混合使用天线（接收到别人的数据和自己的不同）。

大地水准面模型方面的限制

　　GPS测量得到的是椭球高，为了获得正常高（H），我们需知道高程异常值（N）。对长距离，GPS测量也能非常有效地得到椭球高，但会遇到大地水准面和高程基准面方面的问题。在一些地区，全球重力场模型（GGM）是唯一可使用的大地水准面模型。一些近的全球重力场模型以扩展的球体为模型，能较好地解决半度（55km）范围内的问题。然而，即使国家级模型（例如EGM96），其绝对精度也限制在米级，相对精度限制在几分米，对于高程精度还是不够。并且很多地方和很多用户根本就没有这个概念和实际的模型。这也是影响GPS高程的主要的因素之一。为了提高高程精度，可以通过计算当地大地高模型并采用内插技术。长波部份由GGM计算，短波部份由当地重力值计算。精度的好坏取决于当地重力值的可靠程度。在高差很大地质情况复杂的地区，大地水准面模型精度会很低，近来使用的卫星测高法和DEMS技术也能提高高程精度。然而，大地水准面精度不是唯一的限制性因素，它与高程基准面的联合使用也必须被考虑。

高程基准面方面的限制

　　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，定义了多个高程基准面，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，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观测至少三个高程基准面点来实现，目前南方解算软件要求至少观测四个以上点形成一个曲面，检核高程基准面的精度。但是还没有对与大地水准面和高程基准面的联合作用做设置，没有严密的模型使用。这也是下一步要解决的问题。

　　所以要解决以上的问题，必须在一定的条件下实测，测量的时间足够，精确的解算整周模糊度得出GPS 椭球高，再将其归化到大地水准面上和高程基准面上，归化的精度高，测量的高程精度也将得到很大的提高。而往往高程精度不好的地方，都是由于本身高程基准面的问题以及已知数据中能反映当地高程异常分布的数据不够或不精确造成的。为提高精度就必须从上述各方面寻找对策。

　　在控制测量中，对高程精度的要求很高，特别是目前全站仪做高程测量也可以达到比较高的精度，很多用户就很少考虑了GPS 测高，对小范围的可能用水准仪的很多。采用GPS 高程的少之又少。不过随着大家对GPS的进一步了解，专业测量队伍还是对GPS 测高有很大的兴趣，目前江西的很多单位就在探讨这一问题，笔者有幸也和其中大多数单位接触过。目前南昌地区的标准重力模型已经广泛应用到测量地震、水利、矿山等部门，这些单位技术实力都较强大，获得了很多的宝贵的经验，相信在不久的将来，GPS 测高在这些部门将取得较大的进展。

　　后，想谈谈GPS测高在变形监测方面的应用并不是所有的GPS测量都需得出正常高，对于竖向变形监测，可以不把大地水准面和椭球面联系起来考虑。GPS非常适合运用于变形监测的自动重复观测。设计一个GPS监测方案需考虑以下问题：

　　●整周未知数解
　　●星历和参考点质量
　　●多路径效应
　　●对流层影响
　　●潮汐现象
　　●天线问题

　　考虑到需要联测变形区域内的各个点，需采取静态测量模式作长时间观测，即使对于几十公里的基线，如果观测几天并用专门的数据处理软件，精度也能达到厘米级。一个更高要求的GPS测高方面的应用要求精度得到毫米级，只要设计好，测量精度可以达到所需的精度，可以用于监测与全球变暖有关的海水面变化等等。

　　目前江西几个大的水电厂都购置了南方9600静态测量型GPS，用于监控大坝的高度变化很大坝水面高程，取得很好的效果。由于他们需要的是相对高度，对于归化方面没有要求，所以精度很高！

GPS测高的精度

　　GPS实际测量人员想知道的是：使用静态和快速静态方法以及RTK技术到底能达到什么样的精度？下表以南方9600为例，分不同作业模式以及RTK的不同数据更新率列出了不同边长的相应误差，并给出三倍中误差作为允许误差。