李玉君

（臺州市大地測繪事務(wù)所，浙江 臺州 318000）

引言

目前,在測繪工作中,GPS-RTK（Global Position System-Real Time Kinematic）以其定位效率快,精度高、不要求點位相互通視、看自動化程度高、誤差累積小、測繪成果統(tǒng)一、操作簡單、全天候作業(yè)等優(yōu)點，在測繪各個領(lǐng)域被廣泛運用。隨著GPS技術(shù)的出現(xiàn)及其RTK定位技術(shù)的廣泛應(yīng)用,采用GPS RTK定位技術(shù)進行數(shù)字化測圖可以很好地彌補測站點控制范圍的局限性。我單位所使用的儀器為南方測繪儀器公司生產(chǎn)的9800型雙頻接收機，本文根據(jù)在野外數(shù)字化測圖中發(fā)現(xiàn)的情況進行了有針對性的論述。

1 GPS-RTK測量的原理、誤差分析及參數(shù)轉(zhuǎn)換

1.1 GPS-RTK系統(tǒng)組成

GPS-RTK系統(tǒng)主要包括三部分：（1）基準站；（2）流動站；（3）軟件系統(tǒng)。其中基準站由GPS接收機、GPS天線、發(fā)送電臺及天線、電源等組成;流動站由GPS接收機、GPS天線、接收電臺及天線、控制器、對中桿、電源等組成;軟件系統(tǒng)由支持實時動態(tài)差分的軟件及工程測量應(yīng)用軟件組成。

GPS-RTK定位原理。載波相位差分技術(shù)稱為RTK技術(shù)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法，載波相位差分方法可分為兩類。

1)修正法:即將基準站的載波相位修正值直接發(fā)給流動站,改正流動站接收到的載波相位,再求解流動站的實時坐標;此法初始化速度慢,定位精度稍差,稱為準RTK技術(shù)。

2)差分法:即求解起始相位整周模糊度,稱RTK初始化,然后再進行實時差分。它要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機,流動站快速求解整周模糊度,基準站和流動站必須保持4顆以上相同衛(wèi)星相位的跟蹤和必要的幾何圖形，流動站則可實時給出厘米級定位精度。其流程如圖1所示。

1.2 定位誤差分析

在GPS-RTK定位過程中,存在著3部分誤差.第一部分是多臺接收機所公有的誤差。例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、對流層誤差、電離層誤差、傳播延遲誤差等。第二部分為各用戶接收設(shè)備所固有的。例如：內(nèi)部噪聲、通道延遲軌道誤差、天線相位中心位置的偏差、接收機的位置誤差、多路徑效應(yīng)等。第三部分為基準轉(zhuǎn)換誤差。例如：已知控制點的誤差、坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差、大地水準面差距的內(nèi)插誤差等。

圖1 GPS-RTK工作原理圖

第一部分誤差中衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差通過差分技術(shù)可以完成消除，電離層誤差、對流層誤差、傳播延遲誤差可以大部分消除，但其殘余誤差會隨著流動站至基準站距離的增大而加大；第二部分誤差中天線相位中心變化可以消除，其余部分要采用專門措施加以消弱，其殘余誤差有時對RTK影響非常嚴重；第三部分誤差要采用嚴密的轉(zhuǎn)換模型和高質(zhì)量的起算數(shù)據(jù)，運用檢核的辦法來驗證其精度。

1.3 求取測區(qū)坐標的轉(zhuǎn)換參數(shù)問題

GPS-RTK采集的定位坐標數(shù)據(jù)是WGS-84坐標,如在其它坐標系統(tǒng)內(nèi)進行RTK作業(yè)則需要求取定位坐標轉(zhuǎn)換參數(shù),轉(zhuǎn)換參數(shù)質(zhì)量的好壞直接影響RTK的測量精度。合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS-84和1954北京坐標（或地方獨立坐標）以及高程的公共點，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，為RTK測量作好準備。選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)時要注意以下幾個問題：

1）要選擇測區(qū)四周及中心的控制點，均勻分布。為提高轉(zhuǎn)化精度，最好選3個以上公共點，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2）在GPS-RTK作業(yè)前，一般情況下已布好本區(qū)GPS基礎(chǔ)控制，根據(jù)內(nèi)業(yè)計算得到各個控制點的WGS-84坐標和當?shù)刈鴺?，在?nèi)業(yè)計算得到坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，直接將參數(shù)輸入手簿，這種方法算得的參數(shù)較準確。

3）在有國家控制點參心坐標，而無GPS地心坐標的情況下，可以利用流動站在控制點上逐點進行WGS-84坐標定位測量，觀測時間不少于5分鐘，測量點位大于3個后，即可解算出七參數(shù)，并利用轉(zhuǎn)換參數(shù)將地心坐標轉(zhuǎn)換為參心坐標。

2 高程測量的方法、措施

2.1 GPS-RTK高程測量的方法

GPS-RTK由于受區(qū)域性似大地水準面的精度、坐標系統(tǒng)不一致性的影響，其高程精度一直被認為不可靠。因此，GPS-RTK在我國高精度高程測量中應(yīng)用較少。

圖2 大地高與正常高的關(guān)系

若使用本地區(qū)參考橢球面為基準，還應(yīng)考慮到本地橢球面與WGS-84橢球面之間的差異。因為GPS-RTK測得的是以WGS-84橢球面為基準的大地高，所以要顧及兩個橢球面之間的高程異常差。

高程異常的確定方法，可分為幾何解析法和重力法兩類。

幾何解析法是用一個一次或高次的解析多項式擬合出的似大地水準面，然后內(nèi)插出GPSRTK點上的高程異常值。

重力法是通過計算附近的地面重力測量資料求解大地水準面的非線性變化部分，應(yīng)用中通常需結(jié)合地形數(shù)字模型和地球重力場模型數(shù)據(jù)，以反映地形起伏的影響和大地水準面的長短波特性。

利用重力法計算高程異常值在工程測量中是不切合實際的，考慮到工程測量控制網(wǎng)的范圍較小，似大地水準面的變化比較平緩，因此，通過一些聯(lián)測水準的GPS點，求得各點的高程異常值，再用平面擬合的方法來逼近似大地水準面，以求得其 GPS-RTK點的高程異常，從而達到將大地高轉(zhuǎn)換為正常高的目的。

2.2 提高GPS-RTK高程測量精度的措施

2.2.1 提高大地高測定的精度。大地高測定的精度是影響GPS-RTK高程測量精度的主要因素之一。這可以從提高起算點精度，縮短基線距離，采用雙頻機，精確量取儀器高和流動站高，選擇最佳的衛(wèi)星分布，減弱多路徑誤差和對流層延遲誤差等幾方面改善。

2.2.2 根據(jù)測區(qū)似大地水準面變化情況，合理地布設(shè)已知點。一個局部GPS-RTK網(wǎng)中最小聯(lián)測幾何水準的點數(shù)。根據(jù)不同的測區(qū)，選取合適的擬合模型，并且應(yīng)對已知點進行檢核，以減小因已知點精度低而帶來的損失。對于山區(qū)地形，要加地形改正；對含有不同趨勢地區(qū)的大測區(qū)，可采用分區(qū)計算的辦法等。

2.2.3 聯(lián)測幾何水準的點位，應(yīng)均勻布設(shè)于測區(qū)。測區(qū)周圍應(yīng)有幾何水準聯(lián)測點，由這些已知點連成的多邊形，應(yīng)包圍整個測區(qū)。

3 作業(yè)時應(yīng)該注意的若干問題

3.1 有關(guān)基準站的問題

RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)（偽距觀測值，相位觀測值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機。

1）電臺天線要盡量高。如果距離較遠，要使用增高天線。電源電量要充足，否則會影響作業(yè)距離。

2）設(shè)站時要限制最多衛(wèi)星使用數(shù)。一般為8顆，如果太多，則影響作業(yè)距離；太少，則影響RTK初始化和PDOP值。

3）如果不使用七參數(shù)，則在設(shè)置基準站時要使WGS-84坐標系處于關(guān)閉狀態(tài)；如果使用七參數(shù)，則△X、△Y、△Z都小于±100m較好，否則重新評估檢查起算點。

4）為避免多次手工輸入基準站坐標產(chǎn)生的錯誤，基準站坐標要在室內(nèi)盡量上傳到內(nèi)存卡，野外設(shè)站時直接從內(nèi)存卡中調(diào)出坐標即可。

3.2 有關(guān)流動站的問題

3.2.1 解的記錄限制要為RTK固定解。

3.2.2 數(shù)據(jù)鏈接受間隔要與基準站設(shè)置的發(fā)射間隔一致。

3.2.3 高程改正要在天線高里去改正。

3.2.4 差分天線要盡可能的高。

3.2.5 流動站與參考站之間的距離要限制；RMS和PDOP值設(shè)置要滿足規(guī)范要求。目前，GPS系統(tǒng)衛(wèi)星總數(shù)已達29顆，如果用于城市圖根控制測量，RMS值小于5cm較合適，在信號差地區(qū)作業(yè)時，PDOP值仍有可能較大，一般限制在小于12cm較好。

3.3 有關(guān)作業(yè)時的問題

3.3.1 我國國土地形、地物、地貌比較復(fù)雜多變，為提高作業(yè)的精度和獲取完整的數(shù)據(jù)，作業(yè)人員要根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報和天氣預(yù)報選擇最佳觀測時段。衛(wèi)星的幾何分布越好，定位精度就越高。衛(wèi)星的分布情況可以用GPS平差軟件查看多項預(yù)測指標，根據(jù)預(yù)測結(jié)果合理安排工作計劃，達到特殊工作的要求和目的。

3.3.2 數(shù)據(jù)的處理主要查看PDOP值是不是超限，放樣精度是不是達到作業(yè)精度的要求，基線距離是不是在規(guī)定的距離范圍內(nèi)等等，如達不到要求需考慮結(jié)合全站儀測量。

3.3.3 少數(shù)測區(qū)存在一些干擾源，造成RTK測量質(zhì)量不正常。導(dǎo)致觀測成果出現(xiàn)較大誤差，甚至有偽值現(xiàn)象。這種情況觀測時不易發(fā)現(xiàn)，可從手簿上反映出收斂很慢，求得固定解一般需要幾十秒甚至幾十分鐘才能完成，其收斂值一般在2～8cm之間。這時手簿上顯示的收斂值可能不完全真實，有時測量誤差可能達到幾十厘米甚至幾米。當出現(xiàn)此種情況時，要慎重對待采集的數(shù)據(jù)，最好重置整周模糊度重復(fù)采集數(shù)據(jù)以檢核觀測質(zhì)量，或用另一臺流動站重復(fù)采集數(shù)據(jù)來判定觀測質(zhì)量。

3.3.4 天空環(huán)境影響。白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，初始化時間長甚至不能初始化，達不到測量要求。GPS-RTK半徑比其標稱半徑要小很多，工程實踐和專門研究都證明了這一點，解決這類問題的有效辦法是把基準站布設(shè)在測區(qū)中央的最高點上。

3.3.5 高程異常問題。GPS-RTK作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確，但我國現(xiàn)有的高程異常圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在較大誤差，在有些地區(qū)還是空白，這就使得將GPSRTK大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得相當困難，精度也不均勻。

4 結(jié)論

綜合以上分析，可得出以下結(jié)論：

1）為避免RPS-RTK成果的錯誤，應(yīng)在更換基站前、作業(yè)前、作業(yè)后到已知點上進行檢測。當測區(qū)有兩個以上基準站時，流動站可用變頻開關(guān)選擇接收兩個以上的結(jié)果，從而發(fā)現(xiàn)問題并采取措施進行改正。在衛(wèi)星信號接收效果較差等情況下不能滿足精度要求時，可結(jié)合全站儀進行施測。2）在已有GPS網(wǎng)中，如果網(wǎng)形布設(shè)合理，利用一些幾何水準點求得高程異常，進而擬合出其他點的正常高，GPS-RTK可達到厘米級的精度要求。3）RTK技術(shù)不僅能達到較高的定位精度,而且大大提高了測量的工作效率,隨著RTK技術(shù)的提高,這項技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到測圖工作中。通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序,可大大減輕了測量人員的內(nèi)外業(yè)勞動強度,因此RTK技術(shù)在數(shù)字化測圖中有著廣闊的應(yīng)用前景。4）若測區(qū)有明顯幾種趨勢地形，應(yīng)分區(qū)進行GPSRTK參數(shù)計算，對地形突變部位的GPS-RTK點應(yīng)多加檢核。5）若測量成果精度要求在米級以上時，也可利用GPS廣域差分技術(shù)（WADGPS）來解決在山地、叢林等地形基準站與參考站信號受限的問題，提高GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用的廣泛性，確保成果達到工程要求。6）展望未來，俄羅斯的GLONASS，伽利略（GALLIEO）以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都將在未來對亞太地區(qū)具備完全導(dǎo)航能力。我國“2000國家大地控制網(wǎng)”為GPS-RTK提供了進一步的數(shù)據(jù)支撐。隨著各部委、城市連續(xù)運行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（CORS）的建立和GPS軟硬件的不斷更新，GPS-RTK在未來的應(yīng)用會更加廣泛。

[1]徐紹銓，張華海，楊志強，王澤民，GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社，2008.

[2]孔祥元，郭際明，控制測量學(xué)[M].武漢大學(xué)出版社，2006.