集成船載重力和gnss的測(cè)線式陸海高程傳遞方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種遠(yuǎn)距離跨海高程基準(zhǔn)傳遞方法，尤其設(shè)及一種集成船載重力和 GNSS的測(cè)線式陸海高程傳遞方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高程作為基礎(chǔ)地理空間信息，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)中具有舉足輕重的作 用。
[0003] 海洋經(jīng)濟(jì)，港口工程、海洋運(yùn)輸、海洋養(yǎng)殖、海洋捕撰、海洋資源勘探和開發(fā)、海底 工程、海岸帶工程、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海島（礁）開發(fā)和保護(hù)等都需要豐富的高 程資料，需要統(tǒng)一陸圖和海圖的垂直基準(zhǔn)，W構(gòu)建統(tǒng)一的陸?？臻g信息基準(zhǔn)。
[0004] 為了統(tǒng)一陸地和島蝸的高程基準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)行陸海高程聯(lián)測(cè)。常用的陸海高程 聯(lián)測(cè)方法有精密水準(zhǔn)測(cè)量、靜力水準(zhǔn)測(cè)量、S角高程測(cè)量、海洋動(dòng)力方法、GPS(Global 化sitioning System,全球定位系統(tǒng)）水準(zhǔn)法和重力位方法等。其中，精密水準(zhǔn)測(cè)量雖然精 度高，但是測(cè)站視距較短，當(dāng)進(jìn)行跨水域測(cè)量時(shí)，前后視距之差太大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離精密 跨海水準(zhǔn)測(cè)量。
[0005] 靜力水準(zhǔn)法是采用連通管進(jìn)行高程傳遞，由于跨海距離較長(zhǎng)，不但要求連通管具 有極高的質(zhì)量，而且為了保持流體靜力平衡，必須保證連通管中的液體無(wú)氣泡，還需考慮氣 壓差、密度差等因素對(duì)平衡狀態(tài)的影響，費(fèi)用十分昂貴。
[0006] 盡管世界上多個(gè)島蝸的高程基準(zhǔn)傳遞采用了 =角高程測(cè)量的方法，但眾所周知的 是，=角高程測(cè)量方法只能測(cè)定任意兩點(diǎn)之間的幾何高差，因此，由=角高程測(cè)量直接推求 的正高或正常高將包含大地水準(zhǔn)面不平行而引起的誤差，同時(shí)還受到垂直折光差、垂線偏 差等的影響。在距離超過(guò)10千米時(shí)照準(zhǔn)誤差較大，有時(shí)甚至無(wú)法觀測(cè)。所W該種方法誤差 大，又對(duì)天氣環(huán)境要求高，不適合長(zhǎng)距離跨海高程傳遞。
[0007] 動(dòng)力水準(zhǔn)法，即驗(yàn)潮法，也稱為海洋動(dòng)力方法，又稱潮位觀測(cè)法，其原理是在兩點(diǎn) 進(jìn)行長(zhǎng)期的潮位觀測(cè)，求出兩點(diǎn)的平均海平面，進(jìn)而由一點(diǎn)的高程推求另一點(diǎn)的正高或正 常高。該種方法由于需要多年的潮軟觀測(cè)資料，周期長(zhǎng)、代價(jià)高。一方面，區(qū)域平均海平面 與大地水準(zhǔn)面有米級(jí)的差異；另一方面，海平面存在海面傾斜。
[000引因此，該方法對(duì)于遠(yuǎn)距離海島（礁）高程傳遞的精度有待于改善。
[0009] GPS水準(zhǔn)法的基本原理是首先利用陸地上大量GPS水準(zhǔn)點(diǎn)擬合出區(qū)域（似）大地 水準(zhǔn)面，再把擬合的（似）大地水準(zhǔn)面外推到待求點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合待求點(diǎn)的大地高求出正高/ 正常高來(lái)。一方面擬合的區(qū)域（似）大地水準(zhǔn)面精度只有分米/厘米量級(jí)，另一方面外推 方法也帶來(lái)誤差。
[0010] 該種方法的前提是待求點(diǎn)和陸地上的Gl^s水準(zhǔn)點(diǎn)在同一個(gè)擬合（似）大地水準(zhǔn)面 上，隨著距離增加該個(gè)前提逐漸會(huì)失去其合理性，該種誤差在距離超過(guò)20千米時(shí)甚至能達(dá) 到分米級(jí)。另外就是GI^S水準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量誤差W及GI^S水準(zhǔn)點(diǎn)的分布影響。該方法是利用大 地高差與（似）大地水準(zhǔn)面差距傳遞高程基準(zhǔn)，所需經(jīng)費(fèi)較少，周期較短，方便實(shí)用。但是， 該種方法誤差較大，不適合長(zhǎng)距離跨海高程傳遞。
[0011] 根據(jù)重力位理論，在基于重力測(cè)量的區(qū)域（似）大地水準(zhǔn)面精化基礎(chǔ)上，利用GNSS 技術(shù)可W實(shí)現(xiàn)海島（礁）高程傳遞。通過(guò)確定位于不同陸地和海島（礁）的水準(zhǔn)原點(diǎn)之間的 位差，從而統(tǒng)一各個(gè)國(guó)家高程基準(zhǔn)，建立全球高程框架，提出通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量和重力數(shù)據(jù)解算 位差，該需要大量的外業(yè)工作和復(fù)雜的計(jì)算，還受到政治因素的嚴(yán)重影響，同時(shí)海島（礁） 上也無(wú)法直接聯(lián)測(cè)到陸地。
[0012] 利用大地測(cè)量邊值問(wèn)題解算，可W進(jìn)行垂直基準(zhǔn)連接的方法。
[0013] 利用線性化固定重力邊值問(wèn)題進(jìn)行了深圳和香港的高程比較，精度達(dá)到了厘米量 級(jí)，一方面深圳和香港距離較近，另一方面有較多的高精度重力資料。
[0014] 可W提出利用重力位差技術(shù)實(shí)現(xiàn)陸海高程傳遞，確定位差是一個(gè)十分耗時(shí)且復(fù)雜 的工作。
[0015] 基于重力位技術(shù)的高程傳遞，需要大量統(tǒng)一基準(zhǔn)下的重力數(shù)據(jù)和GNSS測(cè)量；
[0016] 確定兩地之間位差的大地測(cè)量邊值問(wèn)題（GBV巧的解也應(yīng)用于高程統(tǒng)一。因?yàn)?，?力數(shù)據(jù)與地形是強(qiáng)相關(guān)的，因此，扣掉參考重力場(chǎng)模型之后的剩余重力可用于表述地球重 力場(chǎng)的高頻分量。
[0017] 然而，該些方法需要區(qū)域高程（參考于區(qū)域高程基準(zhǔn)），計(jì)算重力異常，重力歸算 的基準(zhǔn)就有差異?；谥亓ξ焕碚摚褂霉潭ㄟ呏祮?wèn)題的解來(lái)進(jìn)行高程基準(zhǔn)統(tǒng)一。利用重 力位方法進(jìn)行區(qū)域（似）大地水準(zhǔn)面精化，需要大量的重力數(shù)據(jù)和復(fù)雜的算法，代價(jià)高、費(fèi) 用昂貴、周期較長(zhǎng)。
[0018] 中國(guó)專利申請(qǐng)CN101957193B公開了一種海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，其通過(guò)陸 地、海岸帶、海島礁重力數(shù)據(jù)的高度集成，通過(guò)高程基準(zhǔn)系統(tǒng)差改正的空間重力異常數(shù)據(jù)計(jì) 算陸地與所傳遞海島礁一致的高精度整體重力似大地水準(zhǔn)面數(shù)值模型，最后利用計(jì)算區(qū)域 內(nèi)的已知高程點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量已知高程點(diǎn)的GI^S大地高和待測(cè)海島礁點(diǎn)的GI^S大地高，完成海 島礁的高程傳遞。
[0019] 上述技術(shù)方案的海島礁高程傳遞的優(yōu)化方法，由于其構(gòu)建重力似大地水準(zhǔn)面數(shù)值 模型，需要綜合陸地、海岸帶和海島礁的重力數(shù)據(jù)，因而所需要觀測(cè)數(shù)據(jù)量龐大、費(fèi)用高，各 種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的過(guò)程中會(huì)引進(jìn)新的誤差；更為關(guān)鍵的是，該種方法要構(gòu)建精確的局 部重力似大地水準(zhǔn)面范圍相對(duì)較小，也就是說(shuō)，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的跨海高程傳遞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明的目的是，提供一種實(shí)現(xiàn)跨海遠(yuǎn)距離、高精度、低代價(jià)遠(yuǎn)距離跨海高程基準(zhǔn) 傳遞方法。
[002U 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的需要解決的技術(shù)問(wèn)題是，如何利用集成船載重力儀和GNSS 遠(yuǎn)距離往返陸地和海島（礁）一次，在一次船只往返中，沿船只航線進(jìn)行海洋重力測(cè)量和 GNSS測(cè)量，W完成高精度測(cè)線式跨海高程基準(zhǔn)傳遞的數(shù)據(jù)采集，并將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處 理，W實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跨海高程基準(zhǔn)傳遞提高精度、減小系統(tǒng)誤差的技術(shù)問(wèn)題。
[002引本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種集成船載重力和GNSS的 測(cè)線式陸海高程傳遞方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0023] 第一步，已知陸地上的高程基準(zhǔn)點(diǎn)A的正高，用常用的GNSS方法測(cè)量其大地高和 用重力儀測(cè)量重力異常；
[0024] 第二步，用集成船載重力儀和GNSS航船沿陸地已知點(diǎn)A和海島（礁）待測(cè)點(diǎn)B之 間的航線上往返一個(gè)航程，測(cè)量所經(jīng)過(guò)的測(cè)線上的重力數(shù)據(jù)和GNSS =維坐標(biāo)；
[0025] 第S步，在海島（礁）待測(cè)點(diǎn)B用常用的GNSS方法測(cè)量其大地高和用重力儀測(cè)量 重力異常；
[0026] 第四步，利用EGM2008地球重力場(chǎng)模型，構(gòu)建沿船只航線的重力異常自協(xié)方差矩 陣和重力一垂線偏差互協(xié)方差矩陣.
[0027] 對(duì)所采集到的沿船只航線重力數(shù)據(jù)和GNSS S維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并利用 GNSSS維數(shù)據(jù)和處理過(guò)的實(shí)測(cè)沿船只航線的重力數(shù)據(jù)，優(yōu)化重力異常方差矩陣和重力一垂 線偏差互協(xié)方差矩陣；
[002引第五步，將第四步處理完成的重力數(shù)據(jù)、重力異常方差矩陣和重力-垂線偏差互 協(xié)方差矩陣，運(yùn)用最小二乘配置原理解算出垂線偏差，將結(jié)果代入天文水準(zhǔn)公式，計(jì)算沿船 只航線點(diǎn)與陸地已知點(diǎn)A點(diǎn)之間的大地水準(zhǔn)面差距之差；
[0029] 在計(jì)算的過(guò)程中，需要將計(jì)算得到的垂線偏差投影到船只測(cè)線方向上，并根據(jù)大 地高、正高和大地水準(zhǔn)面起伏的關(guān)系計(jì)算船只航線測(cè)點(diǎn)的正高；
[0030] 第六步，根據(jù)第五步計(jì)算出的船只沿航線測(cè)點(diǎn)的正高，對(duì)第四步處理過(guò)的沿航線 重力數(shù)據(jù)進(jìn)行空間重力異常歸算；
[0031] 將歸算后的重力數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘配置重新計(jì)算沿航線測(cè)點(diǎn)垂線偏差，計(jì)算結(jié)果 代入天文水準(zhǔn)公式，重新修正沿船只航線測(cè)點(diǎn)大地水準(zhǔn)面差距之差，并對(duì)A、B兩點(diǎn)之間航 線的所有大