羅 興，吳隆學(xué)，王合凡

（1.長江中游局岳陽水文水資源勘測隊(duì)，湖南 岳陽 414000；2.長江中游局潛江水文站，湖北 潛江 433100）

GPS RTK（Real Time Kinematic）測量技術(shù)也叫載波相位差分技術(shù)，是建立在全球定位系統(tǒng)（GPS）基礎(chǔ)之上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地提供測量點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，并能夠達(dá)到厘米級的精度。在野外作業(yè)時(shí)該項(xiàng)技術(shù)具備靈活、快速、省時(shí)、省力及精度高等優(yōu)點(diǎn)，能極大地提高工作效率和測驗(yàn)精度。本文通過該技術(shù)在長江中游干流螺山水文站的應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)，來探討RTK技術(shù)在水文測站中的應(yīng)用，以達(dá)到在水文測站廣泛使用的目地。

1 RTK工作原理

RTK的工作原理是將一臺接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺或幾臺接收機(jī)置于載體（稱為流動(dòng)站）上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準(zhǔn)站所獲得的觀測值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值，然后將這個(gè)改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的流動(dòng)站，精化其GPS觀測值，從而得到經(jīng)差分改正后流動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置。其工作原理如圖1所示。

圖1 RTK工作原理圖

2 RTK系統(tǒng)的組成

2.1 基準(zhǔn)站的組成

（1）GPS接收機(jī)及其天線：用于接收GPS衛(wèi)星信號；（2）無線電傳輸設(shè)備：包括電臺和發(fā)射天線，用于發(fā)射基站無線電信號；（3）電子手簿：用于設(shè)置基準(zhǔn)站和電臺的各項(xiàng)參數(shù)。

2.2 流動(dòng)站的組成

（1）GPS接收機(jī)及其天線：用于接收GPS衛(wèi)星信號；（2）無線電接收電臺及其天線：用于接收基站電臺發(fā)射的無線電信號，很多儀器都將該部分設(shè)為內(nèi)置在流動(dòng)臺內(nèi)部，減少了外接設(shè)備數(shù)量；（3）電子手簿：用于設(shè)置流動(dòng)站和接受電臺的各項(xiàng)參數(shù)，通過手簿進(jìn)行各項(xiàng)測量工作的操作，可以與基準(zhǔn)臺共用一部。各系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 RTK部件組成圖

3 RTK技術(shù)在水文測站中的應(yīng)用及其優(yōu)越性

3.1 水文測站地形測量

在現(xiàn)行水文測驗(yàn)規(guī)范中規(guī)定，逢“0、5”年份，或者水文測站地形發(fā)生了明顯的變化，就必須將水文測站周圍的地形圖做詳細(xì)的測量。過去測地形時(shí)一般首先要在水文測站范圍內(nèi)建立圖根控制點(diǎn)，然后采用全站儀或經(jīng)緯儀測量地形地貌等碎部點(diǎn)，這些碎部點(diǎn)必須與測站通視，否則還需換站測驗(yàn)，測驗(yàn)完畢后，還要電子成圖，進(jìn)行地形測量一般需要3～4人，水文測站范圍一般較小，在該測區(qū)內(nèi)，這種做法耗時(shí)費(fèi)力。

現(xiàn)在采用RTK時(shí)，僅需一人背著儀器在要測的地形地貌碎部點(diǎn)呆上一、二秒種，并同時(shí)輸入特征編碼，通過手簿可以實(shí)時(shí)知道點(diǎn)位精度，把一個(gè)區(qū)域測完后回到室內(nèi)，由專業(yè)的軟件接口就可以輸出所采集的地形圖數(shù)據(jù)，這樣用RTK僅需一人操作，不要求各測點(diǎn)間通視，大大提高了工作效率。

3.2 水文測站大斷面測量

水文測站大斷面測量，現(xiàn)行規(guī)范要求起點(diǎn)距測量方法為鋼尺丈量、經(jīng)緯儀或全站儀測驗(yàn)。采用鋼尺丈量時(shí)，需在水面以上陸地部分，布置高程控制樁點(diǎn)，然后鋼尺丈量點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，并用水準(zhǔn)儀測量高程，同時(shí)還采用其它方法檢測水邊測量精度。該方法要求測驗(yàn)人員較多，當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜時(shí)，比如雜草或者樹林灌木較多，距離丈量精度可能會(huì)出現(xiàn)誤差，當(dāng)遇到測站大斷面中間出現(xiàn)江心洲時(shí)，該方法有很大的局限性，并且高程控制樁點(diǎn)不一定完全布置在斷面線上。采用全站儀觀測時(shí)，遇到江面較寬，還要換邊測量，對人力物力要求很多。

如果采用GPS-RTK測驗(yàn)技術(shù)，這些問題將迎刃而解。當(dāng)基準(zhǔn)臺架設(shè)完畢后，由一人隨帶流動(dòng)臺，在測站大斷面測區(qū)內(nèi)找出2～3個(gè)校核點(diǎn)比測，比測合格后，在電子手簿中，輸入斷面線，測驗(yàn)人員可以根據(jù)導(dǎo)航模塊，直接在斷面線上施測碎步點(diǎn)，這樣就可以控制每一個(gè)測點(diǎn)均在斷面線上，并且數(shù)據(jù)量也比較密集，可以很好控制住斷面變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，提高測驗(yàn)精度。圖3為螺山水文站2008～2011年采用GPS-RTK測驗(yàn)技術(shù)施測的大斷面，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，陸上部分地形很吻合，應(yīng)證了GPS-RTK測驗(yàn)技術(shù)的可靠性。

圖3 螺山站2008～2010年大斷面圖

3.3 水文測站流量測驗(yàn)（配合ADCP測流）

聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）現(xiàn)廣泛應(yīng)用于水文測站流量測量中，該技術(shù)能大大提高測驗(yàn)精度，減少測驗(yàn)時(shí)間。但是當(dāng)水文站的斷面存在河底走沙（俗稱“動(dòng)底”）時(shí)，流量測驗(yàn)將不準(zhǔn)確，和常規(guī)測驗(yàn)儀器相比，存在偏小的趨勢。在這種情況下，可以配合GPS-RTK測驗(yàn)技術(shù)，利用GPS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)提供的數(shù)據(jù)，將會(huì)提高流量測驗(yàn)精度，發(fā)揮ADCP高效、快捷和準(zhǔn)確的作用。表1為2010年螺山站ADCP不采用和采用GPS-RTK技術(shù)，流量測驗(yàn)精度比較。

表1 螺山站采用GPS-RTK數(shù)據(jù)和不采用GPS-RTK數(shù)據(jù)測流成果精度比較

3.4 特殊情況下水準(zhǔn)高程測驗(yàn)

在RTK技術(shù)應(yīng)用中，被使用者最為關(guān)注的就是高程測量的精度和基面問題。GPS測量求得的原始坐標(biāo)是 WGS-84（B，L，H）三維坐標(biāo)。而我國水準(zhǔn)測量是采用1985國家高程基準(zhǔn)或其他基面，以大地水準(zhǔn)面為起算面，最后以正常高作為使用的高程。因?yàn)闇y量原理不同，兩種測量的起算面不同，所以兩種高程值之間存在差異。在特殊情況下，如果需要用GPS測量高程，可以采用以下方法來控制高程測量精度，以達(dá)到滿足測驗(yàn)要求。

（1）盡量減小人為誤差影響。主要是減少天線安置誤差和天線高量取誤差 ，天線安置采用腳架對點(diǎn)器精確對中 ，天線高量取誤差應(yīng)小于1 mm。

（2）流動(dòng)臺距離基準(zhǔn)臺距離不超過5km，以消弱電離層折射和對流層折射的影響。

（3）基準(zhǔn)臺應(yīng)架設(shè)在空曠且無遮擋的地方，以增強(qiáng)信號的穩(wěn)定性。

4 RTK操作時(shí)應(yīng)注意的問題

GPS-RTK測量技術(shù)具有省時(shí)快捷方便的優(yōu)點(diǎn)，但是在使用時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求：

（1）RTK測驗(yàn)的基礎(chǔ)是GPS定位技術(shù)，這就要保證對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤以及跟蹤衛(wèi)星的數(shù)目必須滿足要求。所以在工作時(shí)應(yīng)把基準(zhǔn)臺架設(shè)在地勢較高的區(qū)域或是開闊的場地，特別是要避開雷達(dá)、信號發(fā)射塔和高壓電線等影響電磁波傳輸?shù)囊蛩??；鶞?zhǔn)臺和流動(dòng)臺之間的距離最好不要超過5km，以保證測量精度。

（2）在測驗(yàn)過程中，必須保證采用RTK測量時(shí)的可靠性和準(zhǔn)確性，所以必須采用已知點(diǎn)校核法對RTK的測量結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。在實(shí)際工作中，應(yīng)至少有2～3個(gè)已知點(diǎn)作點(diǎn)校正才能進(jìn)行后續(xù)其他測量工作。

（3）測量時(shí)需采用一些方法來提高測量精度。如延長測量時(shí)間、使用對中器、選擇最佳觀測時(shí)段、增加觀測次數(shù)或改變基準(zhǔn)站等。同精度兩次測量值的較差取3cm以下為宜。

（4）在使用和搬運(yùn)過程中，應(yīng)保護(hù)好RTK系統(tǒng)的各個(gè)部件，以確保產(chǎn)生準(zhǔn)確無誤的測量數(shù)據(jù)和儀器的長期使用。

5 結(jié) 論

RTK作為一種新型的測驗(yàn)技術(shù)，和傳統(tǒng)測量相比，該技術(shù)受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來由于地形復(fù)雜、地物障礙而造成的難通視地區(qū)，只要滿足RTK的基本工作條件，它也能輕松地進(jìn)行快速的高精度定位作業(yè)，并且測量誤差分布均勻、相互獨(dú)立，不存在誤差積累，精度可靠度較高，在實(shí)際應(yīng)用中有著廣闊的前景，特別是應(yīng)用到水文測站后，可以大大提高水文工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

［1］謝世杰，等，RTK 特點(diǎn)與誤差分析［J］.測繪工程，2002，（2）.

［2］張兆龍，等，GPS RTK作業(yè)模式原理及其實(shí)用技術(shù)［J］.四川測繪，2001，（2）.

［3］李 麗，等，GPS RTK測量成果的質(zhì)量控制方法［J］.本溪冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1999，（1）.

［4］黃河寧.ADCP河流流量測驗(yàn)原理和方法［M］.鄭州：黃河水利出版社，2003.