GPS技術(shù)結(jié)合EGM2008重力模型在測量高程中的應(yīng)用

劉德亮　閆巖　李文輝

（1吉林省煤田地質(zhì)物探公司吉林長春130031；2吉林龍輝工程勘測有限公司吉林132011）

GPS技術(shù)結(jié)合EGM2008重力模型在測量高程中的應(yīng)用

劉德亮1閆巖1李文輝2

（1吉林省煤田地質(zhì)物探公司吉林長春130031；2吉林龍輝工程勘測有限公司吉林132011）

GPS測量技術(shù)結(jié)合EGM2008高程模型以及國家85高程基準提供的高等級水準點在控制測量中低等級水準高程中求解的應(yīng)用。

EGM2008高程模型大地高高程異常常數(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展自GPS的問世，GPS由軍用逐步地在民間生產(chǎn)生活中得以廣泛的應(yīng)用;GPS技術(shù)不斷走入人們的生活，并被人們所認知和熟悉。GPS測量技術(shù)也得到進一步的發(fā)展與應(yīng)用。在全世界的人們已經(jīng)通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得高精度的WGS84大地坐標的大地高時，我國所采用的高程是相對于似大地水準面正常高系統(tǒng)，而如何把大地高轉(zhuǎn)換成正常高呢？如下圖所示：

圖1　

正常高：指從一地面點沿過此點的正常重力線到似大地水準面的距離。

正高：指從一地面點沿過此點的重力線到大地水準面的距離。

大地水準面差距（geoid height）:從大地水準面沿法線到地球橢球體面的距離。包括：（1）絕對大地水準面差距，指從大地水準面沿法線到總橢球面的距離，可用衛(wèi)星大地測量方法求得，亦可根據(jù)全球重力數(shù)據(jù)按斯托克斯（G·G·Stokes）公式計算；（2）相對大地水準面差距，是大地水準面沿法線到參考橢球面的距離，可用天文水準測量或天文重力水準測量方法求得，亦可用空間測量技術(shù)測取。

高程異常：似大地水準面至地球橢球面的高度。高程異常值可在國家測繪部門存有的高程異常圖中查取。

大地高：指從一地面點沿過此點的地球橢球面的法線到地球橢球球面的距離。是大地地理坐標（B、L、H）有高程分量。

大地高=正常高+高程異常

大地高=正高高程+大地水準面差距

可以看出，求解高程異常ξ是轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。而EGM2008模型是全球范圍內(nèi)的重力場模型。它吸收了大量的衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)，相對均勻的、高分辯率的地面重力數(shù)據(jù)及高精度的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)，從而使其為全球測量工作提供了一個更精確的大地水準面。因此，充分利用EGM2008的高分辯率和相對高精度的特性，結(jié)合GPS水準測量以及聯(lián)測高等級水準點得到的數(shù)據(jù)，將會提高高程異常的求解精度。

1　 EGM2008模型的介紹

EGM2008是近年來由NGA(US National Geospatial-IntelligenceAgency)釋放的全球超高階地球重力場模型,該模型的階次完全至2159(另外球諧系數(shù)的階擴展至2190次),相當于模型的空間分辨率約為5′(約9km)。該模型采用了GRACE衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)(ITGGRACE03S位系數(shù)信息以及相應(yīng)的協(xié)方差信息)、衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和地面重力數(shù)據(jù)等,該模型無論在精度還是在分辨率方面均取得了巨大進步,采用該模型以及GPS/水準數(shù)據(jù)有望獲得更高精度的區(qū)域似大地水準面。利用此模型，可以計算全球或局部地區(qū)的重力異常△g,垂線偏差南北方向分量ζ、東西方向分量η，高程異常ξ等地球重力參數(shù)，這里僅通過EGM2008重力模型對高程異常在測量中加以解析；結(jié)合天寶TBC解算軟件計算實地正常高程。以滿足地質(zhì)構(gòu)造解釋的需要。高程轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是獲得測點的高程異常,GPS測得的大地高誤差相對較小,因此轉(zhuǎn)換所得的正常高的精度主要取決于似大地水準面的精度。EGM2008重力模型提供的最終成果包括：2190階次的全球重力場模型，全球5′×5′網(wǎng)絡(luò)重力異常，全球5′× 5′、2.5′×2.5′網(wǎng)絡(luò)大地水準面，全球5′×5′網(wǎng)絡(luò)垂線偏差。

圖2　

2　EGM2008模型與GPS作用關(guān)系

目前國內(nèi)對于EGM2008重力場模型在我國區(qū)域內(nèi)GPS高程轉(zhuǎn)換方面的研究尚處于初級階段，有文獻通過外部精度測試，認為EGM2008模型在我國大陸總體精度為華東華中地區(qū)12cm，華北地區(qū)9cm，西部多山地區(qū)為24cm，東北吉林地區(qū)11cm結(jié)合從宏觀角度肯定了EGM2008重力模型應(yīng)用于日常工程測量方面的具體情況做進一步研究。GPS持術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，它可以提供高精度的WGS-84三維大地坐標，即大地經(jīng)度（L）、緯度（B）和大地高（H）。大地高（H）的基準是WGS-84橢球面，而在實際應(yīng)用中，用到地面點的高程是以似大地水準面為起算面的正常高。

如何把大地高轉(zhuǎn)換成正常高，這就需要EGM2008模型配合處理。GPS就可以提供真正意義上的三維坐標。在較小的測量范圍和比較平坦的地區(qū)，采用GPS水準法能夠達到常規(guī)水準測量精度的要求，但是在較大的測量范圍或者地勢起伏大的山區(qū)，GPS水準擬合的精度還不能完全滿足有些工程水準測量精度的要求，所以要根據(jù)重力場EGM2008模型精化大地水準面。

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3　利用EGM2008計算器求解大地高

在外業(yè)工作中利用靜態(tài)差分GPS接收機4臺進行較長時間采集數(shù)據(jù)，同步觀測四顆以上衛(wèi)星，每時段根據(jù)基線長度和測量等級觀測45分鐘以上的時間。這種模式一般可以達到5mm+1 ppm的相對定位精度。GPS網(wǎng)的圖形布設(shè)通常有點連式、邊連式、網(wǎng)連式及邊點混合連接等幾種基本方式組成GPS網(wǎng)，能保證網(wǎng)的幾何強度，提高網(wǎng)的可靠性。同時聯(lián)測國家等級點或GPS等級點及等級水準點。數(shù)據(jù)采集完畢后利用測繪軟件進行無約束平差，從而得到大地坐標，把大地坐標轉(zhuǎn)換成十進制，利用EGM2008計算器如圖2進行求解。

計算出高程異常值，然后用如表所示計算，從而得出國家85高程，從而減少外業(yè)工程量，不僅提高了工作效率而且節(jié)約了費用。

4　結(jié)束語

利用GPS水準資料對該模型的高程轉(zhuǎn)換精度進行實例驗證計算，認為在GPS高程轉(zhuǎn)換中應(yīng)用EGM2008模型在吉林某地區(qū)較大的測區(qū)范圍內(nèi)僅用很少量的GPS水準點（至少1個），就可以獲得令人滿意的轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過不同方案的計算表明，利用EGM2008實現(xiàn)GPS高程轉(zhuǎn)換，不僅可以降低對GPS水準點數(shù)量和分布的要求，而且能夠消除在擬合時某些系統(tǒng)偏差，提高擬合精度，有時還能起到檢查GPS水準點高程的作用。總的來說，只有切實可行的實踐才能檢驗出之前的理論是否正確，通過以上某地區(qū)的實地算例，得出85高程后，進行其它已知水準點的檢查，均在2-3cm的范圍內(nèi)，所以EGM2008高程模型與GPS的完美結(jié)合在測繪中是一次空前的飛越，從而為從事測量的人員減少了工作量，為將來的經(jīng)濟進步及技術(shù)的革新起到的承上啟下的作用。

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[2]張利明;李斐;岳建利;;擾動重力數(shù)據(jù)精度對GPS/重力邊值問題的影響研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版);2007年01期.

[3]張利明;李斐;陳武;;重力數(shù)據(jù)分辨率對GPS/重力邊值問題的影響研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版);2007年06期.

[4]魏子卿,王剛;用地球位模型和GPS/水準數(shù)據(jù)確定我國大陸似大地水準面[J];測繪學(xué)報;2003年01期.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2015）-7-170-2