袁香奎

摘要:文章主要對(duì)GPS RTK 應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)分析,結(jié)合了筆者的一些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)作了一些技巧的提示。

關(guān)鍵詞:GPS RTK應(yīng)用;風(fēng)險(xiǎn)分析;技巧提示

中圖分類號(hào):P228文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)21-0153-02

一、工作原理

GPS RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)又稱載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)。它的出現(xiàn)使測(cè)量野外工作變得更加輕松,更加有效,更加靈活。真正實(shí)現(xiàn)多快好省。

GPS RTK技術(shù)系統(tǒng)主要包括基準(zhǔn)站、流動(dòng)站和數(shù)據(jù)鏈三部分。它們之間好比接力棒,首先基準(zhǔn)站接收機(jī)連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào),并將測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo),偽距觀測(cè)值,載波相位觀測(cè)值,衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)等通過無(wú)線數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站個(gè)項(xiàng)數(shù)據(jù),而且還要同步觀測(cè)采集GPS衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,求解載波相位的整周模糊度(衛(wèi)星與接收機(jī)之間的載波的整數(shù)),依據(jù)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的動(dòng)態(tài)相關(guān)性,參入不同坐標(biāo)系之間的數(shù)學(xué)模型擬合,得出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)值。由于它使用的載波無(wú)線信號(hào)容易受到干擾,因而它的使用在某些場(chǎng)合有一定的風(fēng)險(xiǎn)。目前國(guó)家也無(wú)GPS RTK 作業(yè)模式的國(guó)標(biāo)規(guī)范,成果精度一直受到質(zhì)疑。盡管如此,它的快速時(shí)效卻受到了測(cè)量人的倍加鐘愛。

二、GPS RTK風(fēng)險(xiǎn)因素分析

影響RTK作業(yè)精度的主要原因是源于整個(gè)GPS系統(tǒng)的局限性,其次是來(lái)源于RTK傳輸數(shù)據(jù)鏈本身,RTK數(shù)據(jù)鏈的傳輸與相關(guān)環(huán)境有較大的依賴關(guān)系。

1.衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星信號(hào)是GPS RTK測(cè)量的核心。只有穩(wěn)定連續(xù)可靠穿透能力強(qiáng),衛(wèi)星分布均勻的射頻衛(wèi)星信號(hào),才能有效捕捉清晰度高,活力四射的衛(wèi)星信號(hào),如若受到干擾,輕則可能發(fā)生信號(hào)衰減重則發(fā)生信號(hào)畸變,初始化無(wú)法實(shí)現(xiàn),直接產(chǎn)生觀測(cè)誤差。主要表現(xiàn)為電離層延遲和對(duì)流層延遲,使得衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化,傷及衛(wèi)星信號(hào)的傳播路徑。

2. 氣象因素。任何測(cè)量技術(shù),不論是光學(xué)的還是RTK ,必須處理大氣誤差,通常用PPm表示。傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)量是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟群蜌鈮簵l件計(jì)算大氣改正。而RTK是以固化軟件提供的建模格式處理動(dòng)態(tài)變化的大氣,算法更加復(fù)雜。當(dāng)天氣發(fā)生急劇變化時(shí),RTK觀測(cè)值將會(huì)出現(xiàn)粗差,當(dāng)太陽(yáng)黑子活動(dòng)頻繁時(shí),電離層將會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生折射誤差。

3.外界環(huán)境。由于測(cè)量工作無(wú)處不在,GPS RTK的應(yīng)用環(huán)境也有所不同。在建筑密集區(qū)或樹林茂密區(qū),高度截止角過小,空間不夠開放,影響電磁波的傳播。在強(qiáng)電磁場(chǎng)或輻射源附近作業(yè),衛(wèi)星信號(hào)會(huì)被磁力吸收,使衛(wèi)星信號(hào)難過這樣的鬼門關(guān)。在碧波萬(wàn)頃的大面積水域進(jìn)行GPS RTK 作業(yè)時(shí),水面恰似一面鏡子,將電磁波信號(hào)反射得所剩無(wú)幾,使數(shù)據(jù)鏈發(fā)生斷鏈。另外,RTK測(cè)量的精度隨著基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離的增長(zhǎng),精度會(huì)逐漸降低,當(dāng)距離達(dá)到一定值時(shí),誤差將顯著增大,甚至發(fā)生突變。

4.校正點(diǎn)精度。如果校正點(diǎn)精度較低,通過誤差傳播,流動(dòng)站得到的三維坐標(biāo)也會(huì)帶有系統(tǒng)偏差。求解平面或高程轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),如果對(duì)出現(xiàn)的粗差處理不當(dāng),將直接影響測(cè)量精度。

5.高程異常。我們知道,地面點(diǎn)沿橢球法線到參考橢球面的距離叫做大地高,地面點(diǎn)到似大地水準(zhǔn)面的距離叫正常高,似大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的距離稱為高程異常。在一定范圍內(nèi),高程異常值可能不為常量,尤其在高程異常變化劇烈地區(qū),這就使得高程擬合存在“跑題”的風(fēng)險(xiǎn)。

6.觀測(cè)時(shí)間。GPS依靠的是接收從地面以上約2萬(wàn)公里的衛(wèi)星發(fā)射來(lái)的信號(hào),衛(wèi)星的運(yùn)轉(zhuǎn)是動(dòng)態(tài)變化的,圍繞地球的轉(zhuǎn)動(dòng),衛(wèi)星相對(duì)于地球某點(diǎn)的視場(chǎng)角發(fā)生變化,造成某一時(shí)段通道的信噪比強(qiáng),某一時(shí)段又很差,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),如中午11點(diǎn)至下午3點(diǎn)半這段時(shí)間,衛(wèi)星星信號(hào)相對(duì)較差,因而合理選擇作業(yè)時(shí)間,對(duì)于避讓粗差風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

7.客觀因素。有關(guān)研究表明,RTK確定整周模糊度的可能性不足95%,致使RTK成果的精度降低,這也是RTK測(cè)

量規(guī)范遲遲未能出臺(tái)的原因之一。

三、降低風(fēng)險(xiǎn)的措施

1.編制衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)。RTK作業(yè)前要進(jìn)行嚴(yán)格的衛(wèi)星預(yù)報(bào),選取PDOP<6,衛(wèi)星數(shù)>6的時(shí)間窗口。編制預(yù)報(bào)表時(shí)應(yīng)包括可見衛(wèi)星號(hào)、衛(wèi)星高度角和方位角、最佳觀測(cè)衛(wèi)星組、最佳觀測(cè)時(shí)間、點(diǎn)位圖形、幾何強(qiáng)度因子(PDOP值)等內(nèi)容。衛(wèi)星預(yù)報(bào)表的有效期以20天為宜,當(dāng)超過20天時(shí),應(yīng)重新采集一組新的概略星歷進(jìn)行預(yù)報(bào)。衛(wèi)星預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)采用測(cè)區(qū)中心的經(jīng)緯度。當(dāng)測(cè)區(qū)較大時(shí),應(yīng)分區(qū)進(jìn)行衛(wèi)星預(yù)報(bào)。

2.優(yōu)化觀測(cè)環(huán)境。選站時(shí)應(yīng)盡可能使測(cè)站附近的小環(huán)境(地形,地貌,植被,天氣等)與周圍的大環(huán)境保持一致,以減少氣象元素的代表性誤差。盡可能把基準(zhǔn)站選在地勢(shì)較高的地方,以增大基準(zhǔn)站無(wú)線電有效的發(fā)射距離,方便播發(fā)差分改正信號(hào)。接收機(jī)周圍視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角小于15°,盡可能避開障礙物的影響,以減少多路徑誤差。盡可能遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源,遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電信號(hào)傳送通道,因?yàn)榛鶞?zhǔn)站接收機(jī)一旦衛(wèi)星信號(hào)失鎖,將會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流動(dòng)站的正常工作。

3.強(qiáng)化觀測(cè)手段。進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí),浮點(diǎn)解時(shí)會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)位坐標(biāo)漂移誤差,即使是固定解,也難免有個(gè)別點(diǎn)超限,這時(shí)要考慮二次初始化。初始化可以采用靜態(tài)、OTF兩種。初始化時(shí)間的長(zhǎng)短與距基準(zhǔn)站的距離有關(guān),距離越近,初始化越快。在距離一定時(shí),增加相同點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度,不同時(shí)間段的測(cè)回?cái)?shù),增加不同點(diǎn)的重復(fù)觀測(cè)數(shù),不同時(shí)間段的重復(fù)衛(wèi)星數(shù)。數(shù)據(jù)在后處理過程中,首先剔除粗差點(diǎn),同一時(shí)間段觀測(cè)值的數(shù)據(jù)剔除率宜小于10%

4.加強(qiáng)成果監(jiān)測(cè)與查驗(yàn)。由于RTK技術(shù)目前正處于推廣應(yīng)用階段,外業(yè)工作應(yīng)加強(qiáng)對(duì)RTK成果的監(jiān)測(cè)與查驗(yàn)。對(duì)RTK成果的外業(yè)檢查可以采用下列方法進(jìn)行:

(1)與已知點(diǎn)成果的比對(duì)檢驗(yàn);

(2)重測(cè)同一點(diǎn)的檢驗(yàn);

(3)已知基線長(zhǎng)度測(cè)量檢驗(yàn);

(4)不同基準(zhǔn)站對(duì)同一測(cè)點(diǎn)的檢驗(yàn)。

四、成果比較與精度分析

在寧安鐵路(南京至安慶)征地放線測(cè)量中,我們使用美國(guó)天寶Trimble 接收機(jī)兩臺(tái),采用1+1的作業(yè)模式,對(duì)寧安鐵路馬鞍山段撥地定樁,工地校正時(shí)解算的殘差分量控制在3cm以內(nèi)。作業(yè)過程對(duì)每個(gè)點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)二次,二次觀測(cè)值較差均小于2cm。對(duì)已知點(diǎn)檢測(cè),點(diǎn)位中誤差均小于1cm。在馬鞍山市政道路測(cè)量項(xiàng)目中,我們時(shí)常采用南方測(cè)繪儀器公司生產(chǎn)的靈銳S82型雙頻機(jī)進(jìn)行控制點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量,爾后又使用四等水準(zhǔn)方式測(cè)定各控制點(diǎn)的高程,通過兩種測(cè)量方法的比較,不難發(fā)現(xiàn),95%以上的控制點(diǎn)高程較差均小于5cm。

從網(wǎng)絡(luò)論壇、各類文獻(xiàn)及眾多測(cè)量應(yīng)用結(jié)果分析,GPS RTK技術(shù)的測(cè)量誤差分布均勻,相互獨(dú)立,不存在誤差積累,精度可靠度較高。通過采用二次初始化后的觀測(cè)值能夠有效地控制粗差出現(xiàn)的概率,另外,加大控制點(diǎn)的檢核力度,也能很好解決RTK成果的可靠性問題。

五、技巧提示

1.從RTK硬件設(shè)備特性和觀測(cè)精度、可靠性及可利用性綜合考慮,現(xiàn)階段RTK的觀測(cè)條件應(yīng)滿足下列基本要求:

觀測(cè)窗口狀態(tài) 衛(wèi)星數(shù) 衛(wèi)星高度角 PDOP值

良好窗口≥5 20°以上 ≤5

勉強(qiáng)可用的窗口 415°以上 ≤8

避免觀測(cè)的窗口 415°以上 ≥8

不能觀測(cè)的窗口≤3

為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失,在長(zhǎng)基準(zhǔn)測(cè)量中使用雙頻接收機(jī),對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)電離層延遲改正,但對(duì)于單頻機(jī)而言,可以提高衛(wèi)星高度截止角,減少其不利影響。針對(duì)對(duì)流層延遲情況,多采用隨機(jī)過程模擬和濾波方法進(jìn)行參數(shù)估算及函數(shù)逼近方法改正。

2.構(gòu)造良好的GPS網(wǎng)型,最好以封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路線為主,不要有開放式的網(wǎng)型結(jié)構(gòu),如果條件允許,應(yīng)優(yōu)先構(gòu)造連續(xù)三角網(wǎng)型,網(wǎng)型中間盡量均勻分布有平面和高程起算點(diǎn)。

3.基準(zhǔn)站的選擇必須要遠(yuǎn)離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源200米外,要遠(yuǎn)離高壓輸電線路、通信線路50米外。控制點(diǎn)的距離要小于RTK有效作業(yè)半徑的2/3倍。為方便對(duì)RTK測(cè)量成果進(jìn)行檢核,避免出現(xiàn)RTK輻射盲點(diǎn),在測(cè)區(qū)工作環(huán)境不良地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加基準(zhǔn)站的站址。

4.由于流動(dòng)站一般采用缺省2m高度的流動(dòng)桿作業(yè),當(dāng)高度不同時(shí),應(yīng)修正此值。在信號(hào)受影響的點(diǎn)位,為提高效率,可將接收移到開闊處或升高天線,吸引衛(wèi)星信號(hào),待衛(wèi)星信號(hào)鎖定后,再小心無(wú)傾斜地移回到待定點(diǎn)或放低天線,一般可以初始化成功。

5.RTK作業(yè)盡量在天氣良好的狀況下作業(yè),盡量避免雷雨天氣。夜間作業(yè)精度一般優(yōu)于白天。