張劍峰

（河北省地礦局測繪院，河北 廊坊 065000）

一、GPS工作原理

GPS（Global Positioning System）是由美國國防部開發(fā)的星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，亦稱為GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，分空間部分（GPS星座）、地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）和用戶設(shè)備部分（GPS接收機(jī)），使用民用的C/A碼和軍用的P（Y）碼；由距地表2萬多公里的24顆工作衛(wèi)星組成，均勻分布在6個軌道面上，且每個軌道面有4顆，軌道傾角為55°。衛(wèi)星工作時會不斷地發(fā)射用0和1二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼導(dǎo)航電文，用戶接收到導(dǎo)航電文，提取衛(wèi)星時鐘時間與自身時鐘時間的對碼量測計算出衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處的空間的三維坐標(biāo)位置，用距離交會的方法求得該點三維坐標(biāo)（X，Y，Z），從而得到用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置等信息。GPS實現(xiàn)了自動化、智能化，既有抗干擾性、保密性、安全性，又有全球性、全天候、連續(xù)性、實時性的精密三維導(dǎo)航與定位能力。

二、RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）實時動態(tài)差分法，是GPS技術(shù)的發(fā)展，其基本形式是一臺基準(zhǔn)站接收機(jī)和多臺流動站接收機(jī)（含1臺）以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娕_；它采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法。原理是將基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)、水準(zhǔn)面擬合參數(shù)等數(shù)據(jù)輸入GPS控制手簿，流動站接收機(jī)在若干個待測點上設(shè)置，可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài)；基準(zhǔn)站與流動站保持同時跟蹤至少4顆以上的衛(wèi)星，不斷地對可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測并接收衛(wèi)星信號；基準(zhǔn)站接收機(jī)通過發(fā)射電臺把其所接收的載波相位差分改正信號發(fā)射出去，流動站接收機(jī)將接收到的衛(wèi)星信號和基準(zhǔn)站的電臺信號傳輸?shù)紾PS控制手簿，經(jīng)過固化軟件對接收到的兩種基本信號進(jìn)行實時差分計算與平差處理，精確地計算出基準(zhǔn)站與流動站的空間相對位置，實時得出本站厘米級定位結(jié)果的坐標(biāo)和高程。

三、GPS、RTK技術(shù)在測量中的優(yōu)先性對比

高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。以前的測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，RTK的出現(xiàn)為大地測圖、電子線路控制測量、水利工程控制測量及各種控制測量、工程放樣等方面帶來了新發(fā)展，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率，可以在現(xiàn)場提供經(jīng)過檢驗的測量成果，能夠在滿足精度的前提下，減輕內(nèi)業(yè)處理的量和外業(yè)返工率，是GPS應(yīng)用的標(biāo)志性里程碑。

利用RTK進(jìn)行控制測量不受天氣、地形、通視等條件的限制，要盡量避開高壓線、高大建筑物及高密樹林等因素對RTK測量的影響，實在無法回避的地方，采用增加觀測時間、增加觀測次數(shù)的方法以提高觀測精度。其操作簡便、機(jī)動性強(qiáng)，工作效率比傳統(tǒng)方法提高數(shù)倍，大大節(jié)省人力，不僅能夠達(dá)到一級導(dǎo)線測量的精度要求，而且誤差分布均勻，不存在誤差積累問題。但為了得到高精度的測量數(shù)據(jù)，查看解算后每個控制點的水平殘差和垂直殘差，必須求出適合于本地區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)和水準(zhǔn)面模型轉(zhuǎn)換參數(shù)。

空間相對位置關(guān)系轉(zhuǎn)換到實際坐標(biāo)系中，由于受大氣中電離層、對流層的影響，高程在精度上稍差些，應(yīng)采取平面與高程分開轉(zhuǎn)換的方法：

1.平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將RTK的坐標(biāo)成果投影成平面坐標(biāo)，再用已知控制點通過程序計算二維相似變換的四參數(shù)即得。

2.高程則利用已知水準(zhǔn)點計算出該測區(qū)待測點的高程異常，采用平面擬合或二次曲面擬合求出他們的高程；也可利用區(qū)域地球重力場模型使GPS大地高為水準(zhǔn)高。

傳統(tǒng)的地形測量、地籍及工程控制測量等采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法進(jìn)行施測，主要是用幾何法和解析法等數(shù)學(xué)算法，這樣不僅費時費力，而且在外作業(yè)不能確定精度，可能造成精度分布不均勻。若采用常規(guī)的GPS測量，在外業(yè)測量過程中不能實時知道定位精度，需回到內(nèi)業(yè)處理，若精度不合要求，必須返測。而采用RTK來進(jìn)行測量，能夠?qū)崟r知道定位精度，達(dá)到測圖技術(shù)要求。用普通方法測圖，首先要做圖根控制點，須兩兩相互通視，然后在其上架好儀器，配備3名人員進(jìn)行測量；采用RTK時，只需一人進(jìn)行測圖即可，而且兩點間不需要能通視，很大程度提高了外業(yè)的工作效率。在應(yīng)用工程方面，比如施工放樣，用普通方法需兩個能通視的已知點及兩名人員前后左右移動目標(biāo)，直到放出一個合格的點位時止；采用RTK放樣時，只需把已知的點位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，按照它提醒放樣點的位置走到那里即可，既迅速又方便，且精度很高，放樣效率會大大提高。比如公路管線地形圖的測設(shè)時，可以結(jié)合管線探測儀和RTK技術(shù)，利用現(xiàn)代科技方法準(zhǔn)確快速完成測圖。

四、GPS、RTK技術(shù)發(fā)展展望

隨著RTK技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在部分儀器標(biāo)定誤差為平面1cm+1ppm，在處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方面，RTK定位時要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實時地把觀測數(shù)據(jù)（偽距、相位觀測值）和已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機(jī)，一般采用9600的波特率通過無線電傳輸數(shù)據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，VRS（Virtual Reference Station）虛擬參考站，這種技術(shù)不需要基準(zhǔn)站，半徑50公里左右范圍平面精度達(dá)到1-2cm左右，初始化的時間（OTF）減少，提高了可靠性。RTK技術(shù)由傳統(tǒng)的1+1或1+2發(fā)展到了廣域差分系統(tǒng)WADGPS，一些城市建立起CORS系統(tǒng)，大大提高了RTK的測量范圍；在數(shù)據(jù)傳輸方面也有了更快的進(jìn)展，由原來的電臺傳輸發(fā)展到現(xiàn)在的GPRS和GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率和范圍。

在我國部分廠商己生產(chǎn)出雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，可同時接收近20顆左右的衛(wèi)星，定位精度達(dá)到厘米級。GPS技術(shù)結(jié)合計算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)跨躍式的發(fā)展，會應(yīng)用到我們生活中的每個角落，提高工作質(zhì)量，豐富物質(zhì)文化生活。