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GPS 在跨海精密水准测量中的应用

作者：齐保伟日期：2014-03-14 09:42 来源：未知

中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000
摘要：随着现代工程测量技术的不断提高，GPS 定位技术被广泛应用于各工程领域，但在高程测量方面，应用最为广泛的还是常规水准测量，但
在一些长距离跨江河湖海的水准测量中，常规方法已不能满足要求或无法实施。本文结合工程实例主要研究了用GPS 高程测量代替常规测量的基本
施作要求和计算方法。
关键词：正常高；高程异常；GPS 跨海水准测量
GPS 水准测量的原理
利用GPS 相对定位技术可以得到较高精度的大地高HG，只要求出
各点的高层异常ξ，就可通过公式（1）计算出正常高Hγ。
Hγ=HG-ξ （1）
因此，GPS 高程测量的关键在于高程异常的求解，即测区似大地水
准面的确定。目前，应用最多的是GPS 水准拟合法，即利用GPS 水准点
建立测区高程异常拟合模型，用于推求其它未联测水准的GPS 点的高程
异常，再根据式（1）计算正常高。
GPS 跨河水准测量的基本思路是：通过GPS 观测及岸上水准联测，
采用GPS 水准拟合方法，建立跨河线附近的高程异常线形拟合模型，推
求两岸跨河点之间的高程异常差△ ξ，再结合它们之间的GPS 大地高
差△ HG，按式（2）计算跨河点之间的正常高高差△ Hγ：
△ Hγ= △ HG- △ ξ （2）
由同岸跨河点与非跨海点之间的大地高高差、正常高高差即可推求
跨海点之间的高程异常差。取两岸对向推算的高程异常差的距离加权平
均值，按式（2）就可求出两岸跨海点之间的正常高高差。
跨河水准测量的施作实例
点位布设
根据实地踏勘，某工程跨海水准测量陆地与海岛的最近距离约为
3178 米，在两岸设置跨海点B1、C2，非跨海点A1、A2、D1、D2。跨海
水准测量布设示意图见图1。
跨距B1、C2 为3178.2 米，海面同岸的A1、A2 与D1、D2 在同一个
点位附近埋设，点位选择在跨海轴线延长线上两侧并大致对称。受到该
工程周边地形地貌等条件的限制，非跨海点距离跨海点的距离分别如图
所示，非跨海点偏离跨海轴线的垂直距离均不超过跨海距离的1/4。
A1
A2
B1 C2 D1
D2 SA1B1=2289.6m
SA2B1=2252.7m SC2D1=1462.8m
SC2D2=1462.7m
SB1C2=3178.2m
海面
图1 GPS 跨海水准点位布设示意图
水准测量
GPS 跨海水准测量前、后分别按二等水准观测要求进行同岸GPS 水
准点之间的高差联测，以检测各点位的沉降变化。高差变化符合规范要
求时，GPS 数据观测有效。
GPS 观测
跨海水准测量GPS 观测按下表1 要求：
表1 GPS 观测要求
级别
项目
二等
静
态
测
量
卫星高度角(°) ≥15
同时有效卫星数≥4
有效观测卫星总数≥6
有效时段长度(min) 120min
观测时段数4*S
数据采样间隔(S) 10
PDOP ≤6
注：s 为跨河视线长度，单位为千米（km）
各时段观测前、后分别量取天线高，互差小于1mm，GPS 观测应当
在48h 内完成。
GPS 测量数据处理
首先使用徕卡开发的LGO7.0.1 预处理软件进行各项数据预处理工
作，基线解算采用双差相位观测值、精密星历，在基线解算成功后进行
了各种粗差的检验，删除部分有粗差的基线，直到最后基线处理成果全
部合。采用CosaGPS5.2 处理软件选取全部已通过检核的基线进行三维
无约束平差，无约束平差应提供各点在三维地心坐标系下的三维坐标、
各基线向量改正数和精度信息。三维无约束平差结果客观反映了整个控
制网的内符合精度情况，内符合精度良好，所求大地高可用于高差计算。
高差计算
表2 跨海GPS 水准测量计算表
正常高差距离大地高差1
高程异常
变化率
同岸较差同岸平均不同岸较差平均高程异常差跨海正常高
0.0459 0.1459 12.8019
0.0126
0.0108
0.0387
0.0531
0.0144
1.4628 -26.8204
1.4627 -28.9326
0.0324
0.0450
0.0477
0.0585
2.2896 -2.5229
2.2527 2.0413
3.1782
A1-B1
A2-B1
B1-C2
C2-D1
C2-D2
-2.5971
1.9400
-26.8902
-29.0182
B1
C2
D1
D2
20.8049
16.2407
18.2820
31.2298
4.4094
2.2972
点标识
A1
A2
椭球高
图2 GPS 跨海水准测量计算图
A1
A2
B1 C2
D1
D2
ΔHG A1B1=-2.5229 m
ΔHγA1B1=-2.5971 m
SA1B1=2289.6m
αA1B1=0.0324m/km
ΔHG A2B1=2.0413 m
ΔHγA2B1=1.9400 m
SA2B1=2252.7m
αA2B1=0.0450m/km
ΔHG C2D1=-26.8204 m
ΔHγC2D1=-26.8902 m
S C2D1=1462.8m
αC2D1=0.0477m/km
ΔHG C2D2=-28.9326 m
ΔHγC2D2=-29.0182 m
S C2D2=1462.7m
αC2D2=0.0585m/km
ΔHG B1C2=12.9478 m
S B1C2=3178.2m
同岸α值较差=0.0126m/km
αAB=0.0387m/km
同岸α值较差=0.0108m/km
αCD=0.0531m/km
不同岸α值较差=0.0144m/km
跨海段高程异常变化率
=αBC=0.0459m/km
两岸正常高差
ΔHγB1C2=ΔHGB1C2-αB1C2*SB1C2
=12.8019 m
海面
说明：
AB方向高程异常变化率(m/km)
αAB=(ΔHGAB-ΔHγAB)/SAB
ΔHGAB—AB间大地高差（m)
ΔHγAB—AB间正常高差（m)
SAB—AB间平距（km)
AB点间高程异常差(m)
ΔξAB=αAB×SAB
BC间跨海水准高差(m)
ΔHγBC=ΔHGBC-αBC×SBC
结论
本次跨海水准测量高程传递跨度约为3.2km，通过实际操作证明，
GPS 水准测量受气象条件影响小，可以达到二等水准测量精度要求，解
决了跨江河湖海精密水准测量的问题，因此可在类似工程中广泛采用。
参考文献
【1】国家一、二等水准测量规范（GB/T12897-2006）