微电子论文发表浅谈GPS高程转换方法及精度

　　摘要：GPS高程既有优点也有缺点，优点是实时，快速，需要较少的人力，缺点是不能直接应用于实际应用中。但随着社会的高速发展，测量技术的日益进步，软件的更新，GPS高程也受到了越来越多的关注。GPS高程转换是指由GPS所测得的大地高转换为正常高。国内外在GPS高程转换的方法上做出了比较成熟研究成果。本文就是在此基础上对GPS高程转换的方法及精度进行了分析，以供同行参考。

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　　1.我国GPS高程的概述及现状分析

　　1.1GPS高程的概述

　　在采用传统地面观测技术确定地面点位置时，通常是分别独立确定平面位置和高程的，这是由于两个方面的原因，第一在两者的参考基准不一样，在测量中平面坐标是以参考椭球面为基准，高程则是以似大地水准面为基准，第二个原因是由于两者观测的方法也不相同，在测量平面坐标时通常采用测角量边的方法，高程一般是通过水准测量和三角高程测量来确定。参考基准与测量方法的不同决定了分别施测平面坐标与高程。

　　我国采用的高程是以似大地水准面为基准面的正常高系统，当使用GPS测量时，测出的三维坐标是以参考椭球为基准面的，即大地高。大地高不能直接用于实际应用中，这就需要转换大地高为正常高，如果可以计算出点位上的大地高和正常高的高程异常，那么利用公式即可以求出大地高，所以求出高程异常就成为关键。

　　1.2我国高程系统现状

　　目前国家高程控制网面临的问题主要表现为两个方面：一方面是目前高程控制网的现势性差;另一方面是我国向用户提供高程主要方式目前仍是经典的，即用户必须通过与国家高程控制网点的水准联测来传递和获得高程，但他测定的高程是大地高，不是用户需要的正常高或海拔高。因此用户常常要求将GPS定位获得的大地高转换为我们采用的高程，即正常高。我国高程控制网在当今现代化的具体内容包含两个方面。即在维持85黄海高程基准和正常高的高程系统不变的基础上，一是施测新的国家高程控制网，即(三期)一等水准网;二是推算我国大陆厘米级精度的(似)大地水准面。所以，高程系统转换技术在今后的高程测量中将起到重要的作用。

　　2.GPS高程转换的重要意义

　　GPS定位系统由于它具有明显的优势，对传统的测量高程的技术显然是一次强有力的冲击。GPS在平面坐标的测量方面的优势是显而易见的，它的弱点就在于高程方面，若测绘工程中不需要正常高，比如在沉降监测等工程应用中，那么这个弱点就不那么明显，我们可以直接利用GPS高程。但往往我们在一般的测量中需要使用我国的高程系统，也就是正常高系统，这时候GPS的不足就显现出来了，这点大大降低了它的在测绘领域的广泛应用，因而也掩盖了它在效率、经济性、实时性、三维性等优势。这时就需要有一定的方法进行GPS高程和正常高之间的转换，可以的得到正常高，其次，在得到大地高的同时还要保证其精度的要求。我国所采用的高程是正常高系统，正常高是以似大地水准面为参考面，大地高和正常高之间存在着高程异常值f，所以就要把GPS测量的大地高和正常高做出转换才能进行实际应用，在转换过程中求出高程异常值，然后根据拟合模型求出所有GPS点的正常高，也就是如何在拟合GPS高程点时能更迅速，更准确的求出相应的正常高。

　　3.GPS高程转换的方法

　　人们在布设不同形式不同等级的控制网、建筑施工测量及放样以及建(构)筑物变形监测等方面都不约而同的给予了GPS测量大量的关注。使GPS测量在各个领域都显示出了它的三维、快速、实时的优越性能。GPS高程转换实际上就是求出大地高和正常高的高程异常。当前我们可以归纳出国内外进行GPS高程转换的方法主要有以下几种：

　　3.1重力测量法

　　地球重力场直接反映了地球内部的密度分布。由于它在地球物理学、海洋学和空间技术中有着广泛的应用前景。且高程异常是地球重力场的参数，可以通过建立地球重力场模型求取高程异常值，地球重力场模型由一组重力位系数表示。利用重力场模型可以根据点位信息计算出点位的高程异常值。这种方法在地形复杂的地方使用起来时非常实用，也是比较可靠的一种求解高程异常值并计算出正常高的一种方法，比如在山区和丘陵地带。但是在地形条件好的地方这种方法过于复杂，不如以下几种方法简便。因为这种方法要有大量的重力测量资料，并且这些资料的精度要高，这个条件在一般情况下比较难以实现。所以也限制了重力测量法转换GPS高程的应用。

　　3.2数值逼近法

　　通常采用利用数学模型解算某地区的高程异常值就是数值逼近法，其原理可以总结如下：在测区范围内，选取若干已知水准点，这些水准点的正常高是已知的，然后可以在这些已知的水准点上进行GPS测量，得到这些已知点的大地高，有了大地高和正常高后可以利用公式求算这些已知点的高程异常值，接下来利用这些高程异常值模拟一个数学模型。这个数学模型就是用来拟合这个测区内点的高程异常值的。

　　一般情况下把数值逼近方法分为两种情况，一种是函数模型逼近，另一种就是统计模型逼近的方法。这两种方法有着不同的应用原理，其中函数模型逼近法是有规律的，它求定的是逼近场的系统性。而另一种方法统计模型逼近方法则没有规律可以遵循。它求定的是一种随机性变化。由于这种方法的可实施性极强，所以国内外都对这种方法给予了关注与青睐。

　　3.3数字模型抗差估计法

　　若观测数据为正态分布，在这种情况下可以利用最小二乘拟合法获取拟合函数，但是这种方法的缺点在于构造的拟合函数可靠性是与其观测数据是否受到异常干扰有关，也就是与是否这些数据点存在粗差有关，若这些数据点受到异常污染，采用这种方法，最小二乘拟合法的原理是使残差二次型等于极小，由于拟合过程中过分迁就这个原则，就会导致拟合函数的不准确性，甚至失真，这可以说是最小二乘拟合法的弱点，这时候可以采用数字模型抗差估计法来消除这种弱点，在拟合的过程中发现粗差，并且逐步剔除粗差，这种方法就是以数学模型为基础，利用平差验后信息调整已知点的权，这样做的目的是让含有粗差的观测值的权逐步减小，就可以在此过程中发现它，减小对平差结果的影响。可以这样认为，在观测值的权非常小甚至等于O的情况下，可以认为在此过程中已经剔除了该观测值。

　　3.4平差转换法

　　如果在测区内有一些具有三维坐标的点，在已具备这种条件下利用坐标转换公式，把已知点代入公式中求出参考椭球面与似大地水准面之间的平移和旋转参数，在进行网平差的时候把所求参数代入进去，在这些参数的约束下，GPS高程的转换就可以通过平差求得，由上面所述可知平差转换法的精度主要与已知点的精度和密度、平移旋转参数有关。所以在利用此种方法进行高程转换的过程中，选择高精度的已知点，使已知点均匀分布是非常关键的。

　　3.5联合平差法

　　联合平差法是综合了几种转换方法的优点进行GPS高程转换，这种方法要求的条件比较复杂，它要求测区内具有多种数据，其中包括天文大地、重力测量、水准测量及GPS测量等数据，这种转换方法的模型是整体平差模型，利用这种模型对观测数据平差，然后求出三维坐标的最优无偏估计值。目前这种方法是GPS高程转换正常高最有效的方法，但是由于往往缺乏数据不能采用，已知点的分布情况影响这种方法转换高程的精度。另外已知数据的精度以及所采用的平差模型都会影响其精度。在使用此方法时令已知点分布均匀，尽量使用高精度的已知数据，选好平差模型是有效提高此方法转换精度的途径。

　　3.6神经网络法

　　神经网络法作为一种新兴的转换方法，渐渐被人们所关注，这种方法主要用来处理非线性映射问题，采用这种方法处理此问题非常有效。此种方法其实就是一种自适应的映射方法，它不需假设，不构造数学模型，因而可以在转换中消除未知因素的影响，提高转换精度。

　　4.GPS高程精度的分析

　　影响GPS的高程点的因素是参与GPS高程转换的数据质量以及GPS高程转换时所采取的方法。在提高GPS精度的时候就要从这两方面出发，一个是已知数据的精度，二是构造的函数模型，这两方面影响GPS精度，已知数据的精度会影响构造的函数模型，如果单方面的只追求已知数据的精度而忽略了构造函数模型，同样也会影响到高程转换精度。从两方面来讲，可以得出“抗差”和“模型参数优选”相辅相成、缺一不可，因为粗差的探测与修正要基于较好的函数模型，反之参数的优选也依赖于某个较好的随机模型。两者共同影响着GPS拟合后的高程精度。因此我们要从两方面着手控制好GPS拟合后的水准精度。

　　也就是既要在GPS施测过程中控制GPS所测得的高程数据的精度，并次用高精度的联测已知水准点，且在转换过程中根据实际条件优选参数模型使GPS高程更好的拟合，得到正常高。如何减小GPS定位中的误差。由于原始数据的精度直接影响到了后面的一系列的数据精度，如果不能很好的控制GPS定位中的误差，也就不能很好的进行后面的数据处理工作，更谈不上得到精确的正常高，所以GPS定位精度的探讨是非常必要的，而且是非常关键的。要控制GPS定位误差的出现，首先我们要明确实际施测中GPS的误差源，尽量避免对GPS数据的干扰。

　　从GPS高程转换的过程来说，拟合GPS高程是主要的一步。那么拟合的精度就关系着正常高的精度。可以从以下两点提高拟合精度。其一，选择适当的转换方法，根据不同的地形和掌握的数据情况，可以在现有的拟合方法中选择拟合精度高的方法。其二，在测区面积比较大的时候，可以采用分区拟合的方法，把整个测区分成若干区域，分别对每个测区进行拟合，这时候就会提高拟合精度。

　　结语

　　GPS高程拟合是GPS研究领域的一个热点。提高GPS的定位精度以及GPS高程转换精度，可以得到较高精度的GPS水准高程。实践证明根据实际情况选择正确的转换方法获得的GPS水准高程的精度可以广泛地应用到工程、测量和变形监测等各个方面中去，这将拓宽GPS的应用领域，真正的实现GPS的三维优越性。使备受青睐的GPS有更好的应用前景。

　　参考文献：

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