重力场模型和DEM提高GPS高程转换精度

为了充分利用GPS观测数据中的高程信息,提高山区GPS大地高转换为正常高的精度,利用国内外最新的重力场模型和数字高程模型（DEM）数据,采用移去-拟合-恢复方法进行GPS高程转换,并与三等水准实测高程进行比较,结果表明：在地形起伏较大的山区,利用高精度的地球重力场模型,可将GPS高程转换的精度提高50%左右。地形改正也可以在一定程度上提高GPS高程转换的精度,地形对高程异常的影响与地形起伏程度和拟合点间高差有关。对于几何水准难以施测的山区利用GPS观测信息确定高精度海拔高程有重要意义。     

顾及高频影响的局域GPS水准高程的“RR”方法

地形起伏可以视为重力场的噪声 ,它极大地影响局域内GPS水准高程的精度 .通过分离高频短波分量 (由地形变化引起 ) ,对中、长波分量作二次解析模拟 ,利用广义最小二乘法进行高程异常值估计 ,将估计出的高强异常值加上用物理方法测定的高频分量即得地面点的高程异常值 .此外 ,讨论了GPS水准误差来源及GPS水准高程的质量准则 .该方法有助于改善地形起伏地区高程异常的精度 ,有广泛的应用前景 .     

2013年度执行情况报告

高程基准作为国家重要基础设施,其现代化的核心是用数字化高程基准模型,取代用高程控制水准网作为国家高程基准的传统模式,以及实现用卫星定位技术测定海拔高,满足我国社会经济快速发展对国家高程基准现代化的迫切需求。项目针对我国高程基准现代化的需求,紧紧围绕课题的八个任务进行研究:GRACE和GOCE重力卫星数据产品的预处理、全球近海区域卫星测高数据处理、重力场调和分析理论与超高阶全球重力场模型的构建、多类重力场信息融合处理理论与高分辨率格网垂线偏差的精密确定方法、高分辨率高精度全球海面高模型的构建、我国厘米级(似)大地水准面模型的构建、全球高程基准与我国高程基准差的确定、陆海高程/深度基准统一计算方法展开研究。在课题实施的第一年度,完成的研究内容成果包括:确定了更适合我国的2160阶次的超高阶地球重力场模型;初步开展了重力垂线偏差方法的研究,提出了基于重力异常和地形的现代重力边值问题实用解式的改进模型;基于GOCE观测数据确定了一个与国际同类模型精度相当的220阶次的卫星重力模型GOWHU01S;分析了近海测高数据的误差,制定了测高数据编辑准则;确定了2′×2′中国近海及邻海海域平均海平面高模型,精度与国际同类模型相当;采用Stokes-Helmert方法确定了2′×2′中国重力和1985国家高程基准似大地水准面数值模型(CNGG2011),模型全国的精度为12.6 cm;在GRS80框架下,计算了与全球平均海面最佳弥合的大地水准面位常数为,为全球高程基准统一奠定了基础;对陆海高程基准统一方法开展了研究,搜集到了陆海高程/深度基准所需的验潮站等观测资料。此外,项目组成员发表了论文11篇,指导毕业研究生9人,完成年课题第一年度的研究任务与目标。     

天文GPS水准方法的研究

鉴于障碍物两侧的高程基准不一致,采用常规的GPS水准数值拟合方法,无法实现跨障碍高程传递,提出了一种天文GPS水准方法,即采用常规GPS水准方法分别拟合障碍物两侧的似大地水准面形状,分别求得相对于WGS-84的地面垂线偏差;由于两侧所求垂线偏差属于同一系统,因此,可根据天文水准原理,进一步计算出跨障碍的高程异常差;再由GPS所测大地高差,可获得跨障碍的正常高差.应用该方法对辽宁阜新引水工程GPS网进行试验,在9.6 km的跨越距离上,试验结果与独立的三等几何水准结果比较,差值为12 mm.研究结果表明:天文GPS水准方法是一种远距离、高精度跨障碍高程传递方法.     

管片变形对静力水准高程传递的影响研究

静力水准系统是地铁运营安全监护的重要测量手段,针对长距离静力水准监测需要将静力水准设备分组安装在不同的水平高度传递高程的方法,尝试在分析静力水准高程传递误差传播模型的基础上,摸索和分析管片变形对静力水准高程传递的影响规律,重点推导了管片收敛和旋转等因素影响高程传递精度的修正公式,并通过工程实例获得验证。结果表明:经过本文公式的修正可明显提高静力水准系统高程传递的精度。     

GRAIL月球重力场模型对嫦娥卫星定轨精度的改进

从阶方差以及大地水准面自由空气重力异常两个方面分析了"重力恢复与内部实验室"(Gravity Recovery and Interior Laboratory,GRAIL)月球重力场420阶模型(GL0420A)的特点,并通过与月球勘探者(Lunar Prospector,LP)重力场165阶模型(LP165P)分析结果比较发现,该重力场极大地提高了月球重力场的阶数及误差精度,在全月面都有明显的重力异常正负交替现象.本文使用GL0420A重力场对"嫦娥"系列探测器的绕月测轨数据进行轨道解算,对比LP165P重力场模型解算结果,在定轨弧段内有10m量级的精度提升,可将该重力场用于高精度的月球探测器精密定轨.     

精密三角高程测量在山区沟壑复杂地形施工中的应用

精密三角高程测量在地形比较复杂的山区沟壑施工中，解决了常规几何水准测难以完成的高程传递问题。     

区域似大地水准面精化及水利工程应用前景

为了从由GPS观测的高程信息中获得GPS观测点的正常高,利用某区域平均分辨率优于5.0′×5.0′的重力数据和GPS/水准数据,EGM96全球重力场模型以及该区域30″×30″数字高程模型并采用移去-恢复技术计算了该区域2.5′×2.5′分辨率似大地水准面模型.该模型内、外符合精度均优于0.060 m,与GPS观测数据相结合可以得到四等及四等以下几何水准精度要求的正常高,真正实现GPS技术在几何和物理意义上的三维定位功能.最后对似大地水准面在水利工程中的应用前景进行了展望,认为GPS平面与高程一体工程控制网为水利工程水准施测困难区域高程测量提供了新的途径.     

卡尔曼滤波在精密机床装配过程误差状态估计中的应用

针对精密机床装配偏差控制问题,在借鉴多工位装配中薄壁件装配偏差控制方法的基础上,建立了精密机床装配过程中偏差传递的状态空间模型,并提出了一种利用卡尔曼滤波实现对装配误差进行最优估计的新方法。首先,根据机床结构建立基准传递链,将零件关键特征在基础坐标系中位姿误差定义为状态变量,引入状态空间方程描述装配过程中的偏差传递,实现对装配工艺过程的数学表达。然后,基于状态空间模型,将当前装入零件加工误差作为系统输入误差,以当前装配步的测量结果为观测值,通过卡尔曼滤波计算装配误差最优估计值以及相应协方差矩阵,实现装配过程中装配误差的估计。最后,应用该方法对精密坐标镗床装配过程进行计算,结果表明:与传统公差分析计算方差相比,经过卡尔曼滤波计算得到最终装配状态估计误差的方差减小了63%,说明该方法用于评价装配过程中偏差累积是有效的,能为优化装配工艺和机床装配调整工艺提供有效指导。     

基于EGM2008大地水准面的GPS大地高差转换

提出了基于EGM2008重力场模型的GPS大地高差转换为正常高差的方法,以消除区域系统性偏差,对大地高差转换误差进行了分析,并利用平原地形和丘陵地形两个区域GPS/水准点数据,对EGM2008重力场模型和湖北省精化大地水准面模型(HBGEO-2007)进行试验和精度分析,结果表明:本方法在平原地形可达到四等高程精度,在丘陵地形高差中误差为0.043 m,HBGEO-2007高差中误差比EGM2008明显减小。     

利用超高阶重力场模型检测水准测量粗差的方法研究

当前水准测量仍然是高精度高程控制测量的首选方法,本文针对目前水准测量粗差缺乏有效检测方法这一问题,提出了基于超高阶重力场模型的粗差检测方法．以2个控制网为例展开研究,实验结果表明:1）EGM2008与EIGEN-6c4重力场模型均具有较高精度,应用上述2个模型计算的A、B测区测段粗差显著水平系数K满足三等限差K的比例≥78%,满足四等限差K的比例≥95%,显然高精度地球重力场模型为水准粗差检测提供了可能性;2）该方法应用于水准粗差检测效果良好,水准粗差越大,粗差检测的成功率就越高;3）采用移去-恢复法计算模型正常高后,该方法粗差检测的成功率有所提升．      

精密测距三角高程精度分析及高程混合网定权

推导了对向精密测距三角高程计算公式,并分析了对向精密测距三角高程主要误差的影响规律,从而说明竖直角测量和大气垂直折光差是精密测距对向三角高程的主要误差源;在精密测距三角高程精度估算中,提出了往返折光系数差的计算模型及其精度估算方法;分析说明了,采用实测数据计算测距三角高程的垂直折光系数差,可以有效地估算垂直折光系数差的精度.在精密高程混合网的平差中,提出基于各段测距三角高程估算精度的定权方案.最后通过对高程控制网实测数据的计算结果的比较分析,验证了精密测距三角高程精度的分析方法和定权方案的合理性,说明在精密高程混合网中不宜采用长距离的三角高程测量.     

山地GPS高程测量方法探索

在分析GPS测高理论的基础上，提出了用建立基础高程面和加入山区重力异常改正的方法，实现山地区域GPS精确测高，并用实例进行了栓核，达到了四等水准测高精度要求。该方法还可减少GPS测高中所需的水准联测工作量。     

地球自转对地球重力场时变特征影响的理论研究

 精密和详细测定地球重力场及其时间变化,是目前卫星重力测量的主要课题.地极移动和日长变化导致地球引力位系数产生时变特性并引起重力的摄动.根据理论力学的基本概念,详细推导了由于地球自转引起的地球引力位系数变化、重力摄动和垂线偏差的表达式,并定量地研究了极移和日长变化对测站重力观测值的影响.同时基于EGM96地球引力位模型,给出了地球引力位系数C₂¹和S₂¹的理论公式.研究表明在高精度的空间大地测量中要顾及到地球自转变化引起的一系列效应.     

全站仪三角高程替代四等水准测量精度分析

根据全站仪三角高程测量的原理,推导了全站仪三角高程测量高差的公式,对全站仪三角高程测量影响高差的各种误差精度分析;并通过一个测设实例加以验证,得出了一个较为实用的结论,认为用全站仪三角高程测量完全可以替代四等水准测量,在一定条件下可以替代三等水准测量,能够满足相应的水准精度要求。     

建立GPS水准综合模型的探讨

目的 为了提高GPS水准的拟合模型在逼近高程异常曲面时的逼近精度和可信度。方法 在总结已有研究成果的基础上，提出了应用有限元法与移动法的加权综合模型来逼近高程异常曲面的方法，并建立了一个二阶规划模型。结果 通过对实测数据的计算分析可发现：当有限元法和移动法的拟合中误差分别为18．9mm和14．4mm时，有限元法与移动法的加权综合模型的拟合中误差仅为6．0mm。结论 有限元法与移动法的加权综合模型的逼近结果比单一模型的逼近结果有了较大的提高，是逼近高程异常曲面的一种有效方法。     

苏州市GPS水准拟合方法的研究

采用高程拟合的方法求解GPS点的正常高，以苏州市GPS网为例，介绍了GPS水准拟合的原理与方法，并着重分析了不同数量的拟合点，不同分布的正常高拟合结果，将拟合结果与三、四等水准测量成果进行了比较，得出该方法可以达到国家三等水准测量的精度。     

论实施GPS基线三角高程测量的可能性

ＧＰＳ已开始在中小城市控制测量中得到应用,如何将ＧＰＳ提供的大地高转化为中小城市控制测量所实用的正常高－直是个尚待研究解决的课题．本文通过分析高程系统的变化关系及将大地高转化为正常高所需依据,提出了“跳高”及“对向”ＧＰＳ基线三角高程测量的方法,并对其结果进行了分析和推断,论证了在中小城市测量控制网中实施ＧＰＳ基线三角高程测量的可能性．     

精化地球重力场模型中SST距离的观测方程

在卫星受摄运动分析的基础上，给出了在利用卫星跟踪卫星(SST)精化地球重力场模型中，SST卫星之间距离的观测方程，实际上是地球引力位的一阶导数。