论文总字数：18156字

摘 要

随着GPS技术的发展，由GPS定位获取的大地高结合高精度、高分辨率（似）大地水准面模型直接获取传统水准测量方法测定正常高，真正实现GPS技术在几何和物理意义上的三维定位功能已成为现代测绘技术发展的一种趋势。而实现这一目标的前提是确定一个达到足够精度的（似）大地水准面，因而区域（似）大地水准面精化问题成为当今大地测量学研究的一个热点。对于平坦的小范围地区而言，大地水准面起伏变化非常小，这时可以直接以GPS大地高差代替水准高差。

本文首先对GPS RTK测量技术的原理、意义和研究状况进行了介绍；并介绍了由GPS测得的大地高与由水准仪测得的正常高之间的转换关系；然后在一个合适的小区域内同时进行了RTK高差测量和水准高差测量,并对实测数据进行相关处理,最后分析了小区域范围内GPS RTK技术测定大地高的精度及大地高差代替水准高差的可行性。

关键词：RTK 水准测量 大地高 精度

Precision Analysis of Elevation Measurement of GPS RTK

Abstract

With the development of GPS technology, geodetic height obtained by GPS positioning binding with high precision and high resolution ratio (quasi) geoid model access to normal height that determined by traditional level measuring method directly, realize GPS technology in geometric and physical meanings of three-dimensional positioning function has become a trend in the development of modern surveying and mapping technology. And the premise of the realization of this goal is to determine a sufficient accuracy of quasi geoid, and the refinement problem of the regional (quasi) geoid become one of the hotspots of modern geodesy research. For flat and small areas, the undulation changes of the geoid is very small, then you can directly to the GPS geodetic height difference instead of leveling height difference.

First of all, the principle, significance and status of GPS RTK technology are introduced in this paper. Then the conversion relation between the geodetic height measured by GPS and the normal height surveyed by level is introduced. Subsequently, the elevation difference measured by RTK and level at the same time in an appropriate and small area,and the data are manipulated. Finally, the precision of geodetic height measurement by GPS RTK technology in a little scope and the feasibility of geodetic elevation difference substitute for leveling difference are analyzed.

Key Words: RTK; Leveling ;Geodetic height; Precision

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 背景与意义 1

1.2 GPS RTK测高研究现状 2

1.3 研究内容 3

1.4 采用的研究手段 3

第二章GPS测量原理 5

2.1 GPS RTK测量原理 5

2.2 高程系统 5

2.2.1 大地高高程系统 5

2.2.2 正高高程系统 6

2.2.3 正常高高程系统 6

2.3 GPS RTK高程测量 7

第三章GPS RTK测高精度分析 9

3.1 RTK测高精度影响因素 9

3.1.1 卫星误差 9

3.1.2 传播路径误差 9

3.1.3 接收机误差 10

3.1.4 其他误差 10

3.2 高程中误差的估算 10

3.3 点间高差中误差 11

3.3.1 估算方法 11

3.3.2 点间高差较差的中误差 11

第四章 GPS RTK测高实验 12

4.1 GPS与水准测量方案 12

4.1.1 测区概况 12

4.1.2 水准观测 12

4.1.3 GPS RTK高程观测 13

4.2 测量数据的对比 21

4.2.1 相关数据的处理 21

4.2.2 对比分析 22

第五章 结论与建议 24

5.1 结论 24

5.2 建议 24

参考文献 26

致 谢 27

第一章 绪 论

1.1 背景与意义

五十年代末，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星定位导航系统的建成，在军事和民用方面取得了巨大的成功，是导航定位史上的一次飞跃，我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低，难以满足大量测量或工程测量的要求，更不能用于天文地球动力学研究。为了提高卫星定位的精度，美国从1973 年开始筹建全球定位系统GPS(Global Positioning System)。在进行了方案论证、系统试验阶段后，于1989 年开始发射正式工作卫星，并于1994 年全部建成，投入使用。GPS系统的空间部分由24颗卫星组成（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星），均分布在6个轨道上，每个轨道上均匀分布有4颗卫星，卫星轨道面相对于地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°^[1]。卫星运行轨道的平均高度约为两万公里,卫星运行周期为11h58min(恒星时12h)，卫星向地面的用户发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442兆赫兹(L1波段)和1227.6兆赫兹(L2波段)，卫星上安装了精度很高的铯或铷原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的C/A 码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。

当前，实时动态 RTK(Real Time Kinematic)定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分技术，在测绘工作中，GPS-RTK 以其定位精度高、效率快、不要求点位相互通视、自动化程度高、误差积累小、测绘成果统一、操作简单、全天候等优点，在测绘各个领域被广泛运用。RTK 的测量数据中其平面精度已得到业内认可， 但高程方面由于区域性大地水准面的精度、电离层延迟误差、坐标系不一致的影响, 其精度一直被认为不可靠。因此, GPS在我国高程控制网的布设中应用较少。从某种程度上讲,未能充分发挥GPS测量能够提供三维坐标的优越性，这在很大程度上限制了GPS技术的应用。另外，在一些作业条件恶劣、对仪器要求苛刻的工程中，传统的高程测绘仪器如水准仪，无法顺利的完成任务，这时RTK的作用便显现出来了。 因此, 有必要对RTK 高程测量的精度以及能达到的水准精度进行探讨，并提出改善 RTK 高程质量的措施和方法,以提高其观测精度,以促进其在测量领域的应用。

1.2 GPS RTK测高研究现状

由于GPS RTK高程测量在测绘作业中所体现出来的灵活性与便利性，所以国内外的学者热衷于GPS RTK在高程方面的精度研究。例如，朱增峰^[3]等利用RTK观测单点高程,求出相邻点的高差,再使用DS3水准仪进行观测这些高程点,得到两组高差数据进行比较,进而得出GPS-RTK高差测量能够代替四等水准高差测量的结论；翟俊素^[4] 从五个方面分析了影响GPS RTK高程测量精度的因素，并提出了提高测量精度的一系列措施；丰光寅^[5]等将GPS RTK高程数据与水准数据进行了分析对比，得到了RTK高程测量精度能够达到五等水准测量精度的结论，并找出了提高RTK测高精度的有效方法；夏鹏，罗新宇^[6]等则进行了更大胆的尝试，在一个较为合适的测区内同时实施了GPS RTK高程测量和三等水准测量，经过对比分析，得出了用GPS高程测量代替水准测量,可以满足三等水准测量要求的结论；王晓华，徐勇^[8]二人对跨河水准测量的缺点进行了阐述，并尝试将GPS RTK高程测量应用于跨河水准测量，取得了不错的效果；彭文广^[9]等通过实验实例,将GPS与水准重合点的GPS大地高高差与水准高差用数学模型进行比较,分析了GPS大地高高差代替水准高差进行等级水准平差的精度,研究GPS大地高高差代替水准高差在工程测量中的应用；陈为民，张旭东^[10]等以宁波市北环路快速路工程建设项目的控制测量为案例，进行四等GPS水准高程测量代替三等水准测量的可行性实践研究,并分析推导了采用低等级GPS高程测量代替三、四等水准测量的技术指标；田野^[11]等对影响GPS RTK高程测量精度的因素进行了重点的分析，总结了提高测量精度的几点方法与措施，并通过实例进行了验证；陈辉，许言科^[13]针对应用RTK技术测量时，在控制点校正精度满足要求而测量结果精度不足的问题，分析其产生的原因并提出了解决方法,探讨了RTK技术在应用高程测量中应当注意的一些问题；钟汉青^[15]在实验中使用GPS RTK测量高精度水准点,得到RTK高程与水准高程之间的较差，通过大量的实测数据分析RTK高程误差与基准站到流动站间距离的关系,建立RTK高程误差模型,分析误差规律,对以后RTK高程应用具有较高的借鉴价值。

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