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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高程测量精度还受到一些因素的影响，因此，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，经过比较，重点研究如何提高GPS高程测量精度。
关键词：GPS高程测量;原理;因素;精度
0、引言
随着GPS技术的发展，GPS高程测量已在诸多项目中得到应用。为了提高GPS高程的测量精度，使其能够在测量领域发挥出应有的作用，对影响GPS高程测量精度的原因进行分析是必不可少的。
1、GPS高程测量定义
全球定位系统简称GPS。Height Measurement Using Global Positioning System的简称是GPS高程测量系统。GPS高程测量是一种通过利用GPS系统来测量地面点大地高的方法。
2、GPS高程测量基本原理
2.1 GPS高程测量的基本原理
在WGS一84坐标系中，GPS测量可以精确给出地面点的三维坐标系x、y、z或B、L、H。经过系统变换，由已知的三维坐标，能够得到局部坐标系统中地面点的对应大地高。目前，无法直接得到GPS点上的高程异常值，所以不能准确地实现大地高与实用的海拔高之间的转换。因此，高程异常的确定是高程转换的关键。
2.2高程异常确定的方法
2.2.1 高程异常确定方法之一
高程异常确定方法之一是几何解析法，其定义是通过一次或者高次解析多项式拟合测区似大地水准面，进而内插出GPS点上的高程异常值的方法。
2.2.2高程异常确定方法之二
高程异常确定方法之二是重力法，其定义是通过利用计算附近地面重力测量资料进而求解大力水准面的非线性变化部分。在实际应用中，通常要采用地球重力模型数据和数字模型，以便反映地形起伏的影响和大地水准面的短波、长波特性。在工程测量中，应用重力法计算高程异常值是不符合实际的。
在实际应用中，鉴于工程测量控制网的范围非常小，似大地水准面的变化非常平缓。因此，经常通过联测水准的GPS点计算和获得各点高程异常值，进而通过平面拟合法来逼近似大地水准面获得GPS点高程异常值，最终实现将大地高转换为正常高。
3、影晌GPS高程测量精度因素
由上文可知，GPS测量是通过地面设备接收卫星传递的信息进而确定地面点三维坐标。测量结果误差将会受到GPS卫星数量、卫星信号的传播速度和地面接收设备等因素影响。
3.1 卫星实际分布因素
卫星实际分布因素是影响GPS高程测量精度的一个重要因素。在测量平面位置时，可以通过对时间段的观测和选择的卫星来保证卫星呈基本对称分布，进而减弱或者消除测量距离中的偏差、卫星信号传播过程中引发的延迟误差等其他误差对平面位置的影响。但是，对于高程测量来说，被观测的卫星基本全部处在地平面以上，呈不对称的分布状态，因此，很多系统误差较难得到很好的消除，这对于高程测量精度有重要的影响。
3.2对流层延迟改正的残差因素
对流层延迟改正的残差问题是影响GPS高程测量精度的另一个重要因素。在高程测量中，对流层延迟改正不完善，就会产生一定的误差，而高程分量的精度主要受到这个方面的影响，尤其对短基线造成的影响更明显。对流层改正的精度受到下列因素影响：1)对流层延迟改正模型自身的误差;2)气象元素的量测误差，尤其是气象元素的代表性误差;3)大气的实际与理想状态之间存在的差异。
3.3卫星星历误差因素
卫星星历误差因素是影响GPS高程测量精度的第三个因素。目前，广播星历精度由于SA政策而被有意识地降低，因此，卫星星历误差严重地影响了GPS高程测量精度。
3.4基线起算点坐标误差因素
基线起算点坐标误差因素是影响GPS高程测量精度的第四个因素。解析基线向量时，一般会应用该基线向量的一个端点作为起算点坐标，因此，若基线计算点存在误差，基线向量的结算结果也会存在误差。例如，起算点的水平坐标存在10 m的误差，那么长度为10 km的基线向量的高度则会产生3 m的误差。
3.5其他因素
除了上述影响因素，GPS高程测量精度还受到如下因素的影响：1)接收机天线相位中心偏差的影响;2)电离层延迟改正后的残余误差影响;3)天线高的测量误差影响。
4、如何提升GPS高程测量精度
4.1 提升大地高测量精度
GPS高程测量精度受到大地高测量精度的影响，而大地高的测量精度受到若干因素的影响。因此，提高大地高测量精度，可以从以下方面来进行。首先，提高局部GPS基线解算的起算点精度;其次，提高GPS卫星星历精度;然后，在观测时选择最佳卫星分布位置，再选择卫星对称分布状态;最后，降低对流层延迟改正误差。
4.2提升拟合计算精度
第一，依据观测区似大地水准面的变化情况，选定一定数量的已知点，并合理布置这些已知点。第二，依据不同的观测区，选择适用的拟合模型，如对于高度差大于100 m的观测区要进行地形修正;对于不同趋势地区的观测区，应采取分区计算的方法。
4.3采用有效且适用的推求高程异常的方法
对于一般GPS用户来说，希望获得使用方法简单、效果较佳的方法来计算高程异常，而多项式函数拟合是比较适用的一种方法。
4.3.1 多项式函数拟合法的数学模型
多项式函数拟合方法的数学模型为：
在式(1)中，f（x，y)表示拟合的似大地水准面；e表示误差。
选用二次曲面来表示似大地水准面：
在式(2)中，a1表示待定系数。
选用该式前三项，即为平面模型。将上面两式合并，可写成下式：
在式(3)中，每一个公共点可组成一个式(4)。在(e2)=min条件下，可以计算出A值，通过A值可以计算出网中其余各点的高程异常值。
4.3.2 多项式函数拟合法
多项函数拟合法的理论是通过区域GPS网，将似大地准面视作曲面或者平面，高程异常用平面坐标的函数f（x，y)。通过区域网中公共点已知的高度异常确定观测区似大地水准面形状，进而推求出其他点的高程异常。根据公式ζ=H-h即可以推算出各点的正常高。很显然，通过多项式函数拟合法推算出的高程和直接水准测算的高程属于同一个系统，而且并不受到GPS网中起算点等坐标误差影响。
4.3.3提高联测几何水准的精度
水准测量又称为几何水准测量，是通过水准仪器和水准尺测量地面上两点间高差的方法。通过在地面两点之间安置水准仪器，观察竖立在地面两点上的水准标尺，按尺上读数来推算两点间的高差。一般情况下，通常由水准原点出发，沿选定水准路线检测各点高程。目前，不同高程的水准面是不平行的，按照不同路线测量获得两点间高差也是有差异的，因此，在整理国家水准测量结果时，必须按照所选取的正常高系统进行必要的改正，以获取正确的高程。
根据科学数据分析可知，选用三等几何水准测量GPS点是可靠的方法。在特殊情况下应用GPS网，可以采用二等精密水准来联测，这便于有效地提高GPS水准精度。
4.3.4实测实验
图1为某地区的GPS控制网。由图可知，控制网由25个点组成，控制面积为250 km2，控制网中全部点均进行了四等水准联测。由GPS测算大地高与水准测量的正常高，进而推算的高度异常为ζ。为验证公共点数量和公共点分布对拟合结果精度的影响程度，在本次实测实验中共设计了4个方案进行计算，其中3个采用平面拟合模型，一个采用二次曲面拟合模型。
方案一：平面模型拟合高程异常，选取控制网中同一侧覆盖全网1/4面积的3个点，20、22、25号点为公共点。
方案二：平面模型拟合高程异常，选取控制网中同一侧覆盖全网1/2面积的5个点;17、20、21、23、25号点为公共点。
方案三：平面模型拟合高程异常，选取控制网中均匀分布的3个点;1、5、19号点为公共点。
方案四：二次曲面拟合模型，选取网中均匀分布的6个点：1、5、13、14、22、25号点为公共点。
利用上述几种计算方案，实现了对该GPS控制网的高程拟合，进行计算后，分析比较的结果见表1。
在上述4个方案中，拟合结果分别为：方案一拟合误差相对比较大;3y案二拟合误差较方案一降低;方案三和方案四拟合精度较好。由此可知，若观测区域为地势较为平缓的平原地区，且GPS网覆盖面积不大，选取3～5个分布均匀的水准点，选用平面模型拟合高程异常，那么推算的正常高误差足以达到普通几何水准测量限差要求。若选取10个及以上分布均匀的水准点，通过二次曲面拟合计算出的正常高的精度符合四等水准测量精度的目标和要求。
5、结束语
GPS高程测量技术为确定大地水准面提供了新的办法，也提高了作业效率。但是在实际运用中，GPS高程测量精度受到若干因素的影响，因此，提高GPS高程测量精度的措施
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