专利名称：通过提取gps信号重力频移确定海拔高程的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种确定海拔高程的方法及其装置，尤其是涉及一种通过提取GPS信 号重力频移确定海拔高程的方法及其装置。
背景技术：
精确确定地面点的海拔高程(简称海拔高)是地球科学领域的一项重要任务。海 拔高是沿重力铅垂线至大地水准面的距离。按通常的定义，大地水准面是最接近于平均海 水面的重力等位面(Listing，1872，Grafarend，199obs)。精确提供地面点的海拔高对研究 与地形变化相应的全球气候环流问题、各类工程建设、地球空间信息服务等具有重要的科 学价值和应用价值。利用传统的方法确定海拔高需要采用重力测量联合水准测量的方法来实现，但存 在如下缺陷一是实施相距较远的两点之间的水准测量需要通过若干个(或多个)中间测 站不断传递，不仅极大地消耗人力物力资源，施测周期长，而且测量误差随着传递路线的增 长而增加；二是在山区(或近距离高程差非常大的两点之间)难于实施水准测量；三是难 以实现全球统一高程基准，因为平均海水面并非等位面，两个分离的大陆难以实现(高精 度的)水准联接。为了克服上述方法的缺陷，Bjerhamma(1985)基于广义相对论提出了相对论大 地测量的概念[1]，通过移动精密时钟来测定地面两点之间的重力位差(简称时钟移动 法)，进而将重力位差转换为海拔高。1993年，申文斌等[2]提出了与Bjerhammar方法等 价的利用电磁波信号的重力频移确定地面上两点之间的重力位差的设想(简称频移法)； Brumberg & GrotenQobsobd) [3]也研究了类似的方法。时钟法和频移法都是广义相对论 的推论。由于电磁波信号具有能量，它从一点传播到另一点时会产生能量得失从具有较高 重力位的地方向具有较低重力位的地方传播时，能量增加，因而频率增大；反之，则频率减 小(这里采用物理学中的定义，因而重力位取负值，与物理大地测量中的定义正好反一个 正负号)。这种信号频率的移动与重力位差之间具有确定的关系，即重力位频移方程，简称 重力频移。重力频移方程的有效性已被很多物理学实验所证实。频移法比时钟移动法有更 高的可行性和技术优势，因为可直接利用GPS信号进行重力频移观测。基于重力频移确定重力位差(或高程差)的精度取决于测定频移的精度，或者说 取决于守时固有频率的精度。近年来，时间与频率科学发展迅速，国际上已制造出守时稳定 度为10_16量级的时钟(Heavner et al. ,2005) [5]，这相当于利用频移法单次测定海拔高程 的精度可以达到米级。如果施以多次观测，可望达到更高的精度。国内外有好几个研究小 组一直在致力于“光频标”的研制(Reichert et al. ,2000 ；Diddams et al. ,2001 ；Ma et al.，2004)，并已取得重要突破，他们相互比对了各自的“光频标”，其稳定度已达到10_18量 级。科学家预言，在不远的将来，即可实现稳定度为IO48量级的“光钟”，这为利用频移法测 定厘米级重力位差或海拔高提供了基础。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的实施相距较远的两点之间的水准测量需要 通过若干个(或多个)中间测站不断传递，不仅极大地消耗人力物力资源，施测周期长，而 且测量误差随着传递路线的增长而增加等的技术问题；提供了一种实施相距较远的两点之 间的水准测量不需要通过若干个(或多个)中间测站不断传递，节省了人力物力资源，并且 施测周期短，测量精准的一种通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法及其装置。本发明还有一目的是解决现有技术所存在的在山区或近距离高程差非常大的两 点之间难于实施水准测量等的技术问题；提供了一种能在山区或近距离高程差非常大的两 点之间实施海拔高程差测量的一种通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法及其装置。本发明再有一目的是解决现有技术所存在的难以实现全球统一高程基准，因为平 均海水面并非等位面，两个分离的大陆难以实现高精度的水准联接等的技术问题；提供了 一种能够实现全球统一的高程基准的一种通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方 法及其装置。本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的一种通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在于，包括以下步 骤步骤1，由参数配置模块根据用户需求配置各分析参数，包括设置低阶重力位模 型，经典多普勒频移模型，对流层模型，牛顿内插阶次以及微分时间间隔；步骤2，由GPS参数读取模块从GPS文件中读入GPS观测文件，包括obs文件和精 密星历sp3文件，并获取总频移量；步骤3，由卫星定位模块根据精密星历通过牛顿内插确定卫星位置，牛顿内插选定 步骤1中的内插阶次，并基于低阶重力场模型求卫星引力位；步骤4，由旋转改正模块实施地球旋转改正；步骤5，由地面站重力位确定模块根据步骤2中的总频移量确定地面站重力位；步骤6，由地面站海拔高确定模块以大地水准面上的重力位为基准，基于布隆斯公 式，用地面站重力位确定地面站海拔高程。在上述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，所述的步骤5中，确定 地面站重力位的具体步骤如下步骤5. 1，由经典多普勒频移确定单元通过obs文件中给出的地面站位置和sp3精 密星历计算出经典多普勒频移值；步骤5. 2，由对流层频移确定单元通过obs文件中给出的地面站位置和sp3精密星 历计算出对流层频移值；步骤5. 3，由电离层频移确定单元通过obs文件中Ll和L2载波的频移值，利用双 频消除法计算电离层频移；步骤5. 4，由重力频移确定单元根据步骤2中的总频移量去掉步骤5. 1、步骤5. 2 以及步骤5. 3中的各频移值，获取到重力频移值；步骤5. 5，由地面站重力位确定单元根据步骤5. 4中获得的重力频移以及步骤3所 述的通过低阶重力场模型求得的卫星引力位，基于重力频移方程，确定地面站重力位。
在上述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，所述的步骤2中，总频 移量Af可表示为Af= Δ f d+ Δ fv+ Δ fh+ Δ fj+ Δ ft+ Δ fc+ Δ fr其中，Afd和Afk分别是经典多普勒频移和横向经典多普勒频移，Afv是引力频 移，Af和Δ &分别是电离层和对流层影响，Δ f。是原子钟误差，Δ f；是随机误差，引力频 移与横向经典多普勒频移之和是重力频移，记为Afg。在上述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，所述的步骤5. 1中，经 典多普勒频移是由于卫星与地面观测站有相对速度导致地面站接收到的卫星信号的频率 的变化，具体公式为
权利要求
1.一种通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤1，由参数配置模块根据用户需求配置各分析参数，包括设置低阶重力位模型，经典多普勒频移模型，对流层模型，牛顿内插阶次以及微分时间间隔；步骤2，由GPS参数读取模块从GPS文件中读入GPS观测文件，包括obs文件和精密星 历sp3文件，并获取总频移量；步骤3，由卫星定位模块根据精密星历通过牛顿内插确定卫星位置，牛顿内插选定步骤 1中的内插阶次，并基于低阶重力场模型求卫星引力位； 步骤4，由旋转改正模块实施地球旋转改正；步骤5，由地面站重力位确定模块根据步骤2中的总频移量确定地面站重力位； 步骤6，由地面站海拔高确定模块以大地水准面上的重力位为基准，基于布隆斯公式， 用地面站重力位确定地面站海拔高程。
2.根据权利要求1所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤5中，确定地面站重力位的具体步骤如下步骤5. 1，由经典多普勒频移确定单元通过obs文件中给出的地面站位置和sp3精密星 历计算出经典多普勒频移值；步骤5. 2，由对流层频移确定单元通过obs文件中给出的地面站位置和sp3精密星历计 算出对流层频移值；步骤5. 3，由电离层频移确定单元通过obs文件中Ll和L2载波的频移值，利用双频消 除法计算电离层频移；步骤5. 4，由重力频移确定单元根据步骤2中的总频移量去掉步骤5. 1、步骤5. 2以及 步骤5. 3中的各频移值，获取到重力频移值；步骤5. 5，由地面站重力位确定单元根据步骤5. 4中获得的重力频移以及步骤3所述的 通过低阶重力场模型求得的卫星引力位，基于重力频移方程，确定地面站重力位。
3.根据权利要求1所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤2中，总频移量Af可表示为Af= Δ f d+ Δ fv+ Δ fh+ Δ fj+ Δ fj+ Δ fc+ Δ fr ；其中，Afd和Afk分别是经典多普勒频移和横向经典多普勒频移，Afv是引力频移， Af和Δ &分别是电离层和对流层影响，Δ f。是原子钟误差，Δ f；是随机误差，引力频移与 横向经典多普勒频移之和是重力频移，记为Afg。
4.根据权利要求2所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤5. 1中，经典多普勒频移是由于卫星与地面观测站有相对速度导致地面站 接收到的卫星信号的频率的变化，具体公式为Δ/ = /-/,=-厶今c at其中C是真空中光速，fs和f分别为发射频率和接收频率，单位时间内测站与卫星间的 距离变化为ds/dt。
5.根据权利要求1所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤3中，牛顿法插值通过构造各阶差商产生多项式系数，以待求点和插值点几 何位置关系为自变量形成多项式，具体公式如下差商公式
6.根据权利要求1所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤4中，地球旋转改正即坐标变换，由如下方程给出
7.根据权利要求2述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在于， 所述的步骤5. 2中，对流层频移是GPS信号在传播过程中的对流层延迟影响，可以用对流层 模型差分获得，可选模型有 SAASTM0INEN ；MODIFIELD H0PIFIELD ；SIMPLIFIED H0PIFIELD ； 计算对流层相位距离延迟的简化的Hopifield模型公式如下
8.根据权利要求2所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤5. 3中，电离层频移的影响可用双频消除法消去，这是由于GPS信号的电离 层频移与频率本身成反比，而其他所有频移与频率本身成正比，如下式
9.根据权利要求2所述的通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法，其特征在 于，所述的步骤5. 5中，所述的重力位频移方程，由下式给出
10.一种利用权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，包括依次连接的参数配置模 块(1)、GPS参数读取模块O)、卫星定位模块(3)、旋转改正模块G)、地面站重力位确定模 块(5)以及地面站海拔高确定模块(6)，所述的地面站重力位确定模块( 包括依次连接的 经典多普勒频移确定单元(7)、对流层频移确定单元(8)、电离层频移确定单元(9)、重力频 移确定单元(10)以及地面站重力位确定单元(11)。
全文摘要
本发明涉及一种确定海拔高程的方法及其装置，尤其是涉及一种通过提取GPS信号重力频移确定海拔高程的方法及其装置。基于IGS提供的GPS观测数据(obs文件和sp3文件)，可提取重力频移，并基于重力频移信号进一步确定单站重力位及海拔高。此外，可以通过重力场模型计算重力频移的理论值，验证所提取的重力频移信号的有效性。因此，本发明具有如下优点1.实施相距较远的两点之间的水准测量不需要通过若干个(或多个)中间测站不断传递，节省了人力物力资源，并且施测周期短，测量精准；2.能在山区或近距离高程差非常大的两点之间实施海拔高程差测量；3.能够实现全球统一的高程基准。
文档编号G01S19/42GK102147247SQ20101011214
公开日2011年8月10日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者万俊堃, 侯凯, 冯晨, 杨茜, 田伟, 申文斌, 秦晓峰 申请人:武汉大学