張景鵬

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

GPS-RTK技術(shù)在水文斷面上小區(qū)域測(cè)量精度的研究

張景鵬

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

本文針對(duì)小區(qū)域內(nèi)GPS—RTK測(cè)量定位的精度和可靠性問題展開分析與研究，通過對(duì)靜態(tài)的測(cè)量成果與同名RTK點(diǎn)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，研究了RTK在小區(qū)域內(nèi)觀測(cè)成果的可靠性、穩(wěn)定性及精度，分析了RTK在小區(qū)域測(cè)量中實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的技術(shù)可行性，總結(jié)出了RTK在小區(qū)域測(cè)量中的一些經(jīng)驗(yàn)。

GPS-RTK；可靠性；穩(wěn)定性；精度分析；小區(qū)域

0引言

水文站斷面測(cè)量與地形測(cè)量是水文流量測(cè)驗(yàn)工作的重要組成部分，可以說斷面測(cè)量和地形測(cè)量的精度直接關(guān)系到流量測(cè)驗(yàn)精度，所以提高測(cè)量精度成為當(dāng)前為水文斷面測(cè)量提供有效數(shù)據(jù)的有力措施，而當(dāng)前各水文站普遍采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行斷面測(cè)量，不僅局限于河床地勢(shì)影響，也局限于人力因素受制。

RTK即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法定位技術(shù)，是一種新的GPS測(cè)量方法。以前的GPS測(cè)量方式（如：靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量）都需要在事后對(duì)其所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算才能得到厘米級(jí)的高精度，而RTK卻是能夠在野外實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)的定位精度，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

若GPS-RTK小區(qū)域測(cè)量精度能滿足要求，將其引入水文斷面測(cè)量中就能實(shí)現(xiàn)斷面測(cè)量的高精度、高效率。

1 主要目標(biāo)

RTK測(cè)量結(jié)果的精度高低直接影響著其應(yīng)用范圍的大小，所以對(duì)GPS-RTK測(cè)量達(dá)到更高精度的影響因素進(jìn)行分析研究，對(duì)推廣其在水文斷面測(cè)量的實(shí)踐應(yīng)用也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。文中研究的目標(biāo)是：

1）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，提出在小區(qū)域內(nèi)控制GPS-RTK測(cè)量誤差的途徑；

2）得出斷面測(cè)量小區(qū)域內(nèi)RTK高精度測(cè)量定位的方法和操作流程；

3）通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證RTK在小區(qū)域內(nèi)測(cè)量成果的穩(wěn)定性及可靠性。

2 研究?jī)?nèi)容

本文將主要研究在小區(qū)域內(nèi)已知高精度的控制網(wǎng)下，利用RTK對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)RTK測(cè)量過程中的各個(gè)流程進(jìn)行系統(tǒng)地分析和整理，然后對(duì)其測(cè)量成果進(jìn)行精度的檢測(cè)與分析，最終得出GPS-RTK在小區(qū)域內(nèi)高精度定位的可行性論證。影響RTK測(cè)量精度的因素主要體現(xiàn)在：GPS-RTK系統(tǒng)自身對(duì)測(cè)量精度的影響、衛(wèi)星信號(hào)的影響、流動(dòng)站距和基準(zhǔn)站之間的基線長(zhǎng)度的影響。

綜上所述，在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，本文就GPS-RTK技術(shù)在小區(qū)域測(cè)量中的精度進(jìn)行了深入的探討和研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：

1）通過實(shí)例對(duì)小區(qū)域環(huán)境里，不同時(shí)間、不同時(shí)間段、不同位置、不同天氣等各種觀測(cè)條件下GPS-RTK測(cè)量的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行探討和分析。

2）實(shí)際測(cè)量時(shí)，在小區(qū)域短基線GPS-RTK測(cè)量條件下，采取將全部點(diǎn)參與計(jì)算的方式將實(shí)驗(yàn)所要用的4個(gè)參數(shù)求解出來，剔除殘差較大的點(diǎn)，最終獲得適合本區(qū)域的最優(yōu)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3）用RTK測(cè)量的點(diǎn)的三維坐標(biāo)與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、檢測(cè)分析，從而來分析RTK小區(qū)域測(cè)量成果的質(zhì)量。

2.1 統(tǒng)組成

GPS-RTK由3個(gè)獨(dú)立的部分組成：

1）基準(zhǔn)站。主要包括基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)及衛(wèi)星的接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及信號(hào)發(fā)射天線、直流電源等?；鶞?zhǔn)站一般都架設(shè)在地勢(shì)較高且無太多遮擋物的地方。其作用是對(duì)范圍內(nèi)的所有可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，并將觀測(cè)到的各種數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)地傳送給流動(dòng)站。

2）流動(dòng)站。包括1臺(tái)GPS接收機(jī)、1個(gè)GPS天線、無線電臺(tái)及通訊天線、電源、手簿（PDA）、對(duì)中桿等組成。其作用是同時(shí)接收來自基準(zhǔn)站和相同衛(wèi)星的各種信息，包括基準(zhǔn)站所傳來的各種觀測(cè)量、所有可視衛(wèi)星的狀態(tài)和基準(zhǔn)站的WGS-84坐標(biāo)。

3）用戶設(shè)備部分。接收來自GPS衛(wèi)星所發(fā)射來的信號(hào)，來獲得導(dǎo)航和定位所需的必要信息，數(shù)據(jù)經(jīng)過自動(dòng)處理，從而來完成導(dǎo)航及定位工作。GPS接收機(jī)硬件包括主機(jī)、天線和電源。

2.2 測(cè)量原理

RTK又稱載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，是基于載波相位觀測(cè)原理的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。它的兩個(gè)主要組成部分：基準(zhǔn)站的作用是連續(xù)地把觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)射出去；流動(dòng)站的作用是實(shí)時(shí)地對(duì)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行差分處理，并且獲取流動(dòng)站當(dāng)前所在點(diǎn)的坐標(biāo)、精度指標(biāo)及高程，從而實(shí)時(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定的坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并使精度達(dá)到厘米級(jí)。

其工作原理：首先，將1臺(tái)GPS接收機(jī)安置于選擇好的基準(zhǔn)站上，另1臺(tái)或幾臺(tái)GPS接收機(jī)安放于載體（流動(dòng)站）上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)開始接收相同時(shí)間、相同的GPS衛(wèi)星所發(fā)射出的信號(hào)。然后，基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將其測(cè)量計(jì)算出的載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值以及基準(zhǔn)站的坐標(biāo)等信息通過電臺(tái)，以無線電的方式傳送給運(yùn)動(dòng)中的流動(dòng)站，而流動(dòng)站通過無線電臺(tái)接收來自基準(zhǔn)站的各種信息，實(shí)時(shí)地對(duì)其所接收到的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行差分處理，從而得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的基線向量（△X，△Y，△Z）；所得到的基線向量加上基準(zhǔn)站的坐標(biāo)便可以得到流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)X，Y和正常高h(yuǎn)。

RTK作業(yè)模式主要包括：

1）快速靜態(tài)測(cè)量。這種模式下，GPS接收機(jī)必須靜止在用戶站上進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過程里，連同接收到的基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)的解算。在此期間，用戶站上的GPS接收機(jī)在流動(dòng)時(shí)，可以不必保持對(duì)GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。

2）動(dòng)態(tài)測(cè)量。與前面的模式相同，首先要靜止地觀測(cè)幾分鐘，然后進(jìn)行初始化，成功后，運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)便開始以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并確定其所在的位置。但是在其流動(dòng)的期間，必須保持對(duì)GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。而且，GPS常規(guī)的測(cè)量方法都需要在事后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的高精度，而GPS-RTK卻能夠在野外實(shí)時(shí)地獲得符合要求的定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分的方法，其現(xiàn)在已被廣泛地應(yīng)用在控制測(cè)量、地形測(cè)圖、工程放樣、海洋測(cè)繪（主要有海上定位、海洋大地測(cè)量和水下地形測(cè)量等），RTK極大地提高了這些工作的外業(yè)作業(yè)效率。

3）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。在其流動(dòng)期間，必須要保持對(duì)GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，否則就要重新進(jìn)行初始化。

GPS-RTK測(cè)量首先是將1臺(tái)接收機(jī)安置在已知點(diǎn)上對(duì)范圍內(nèi)的可視GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)。然后，將采集到的載波相位觀測(cè)量通過基準(zhǔn)站的電臺(tái)，以特定的載波形式發(fā)射出去，而流動(dòng)站則是在對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)并采集自身的載波相位觀測(cè)量的同時(shí)，也通過流動(dòng)站的接收電臺(tái)接收來自基準(zhǔn)站電臺(tái)所發(fā)射出的信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)量；流動(dòng)站的GPS接收機(jī)再利用OTF（運(yùn)動(dòng)中求解整周模糊度）技術(shù)，根據(jù)基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)量和其自身的載波相位觀測(cè)量來求解出整周模糊度，最后求出流動(dòng)站的位置，并獲得厘米級(jí)的高精度，具體過程見圖1。

圖1 GPS RTK數(shù)據(jù)流程示意圖

3 RTK定位精度及可靠性分析

3.1 數(shù)據(jù)的獲取

本文實(shí)驗(yàn)所測(cè)得點(diǎn)為阜新市韓家杖子水文站控制點(diǎn)，其已知坐標(biāo)見表1。

表1 水文站控制點(diǎn)已知坐標(biāo)

3.2 精度分析

3.2.1 同一時(shí)段內(nèi)對(duì)同一點(diǎn)多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)及成果精度分析

1）實(shí)驗(yàn)概況

此次實(shí)驗(yàn)是將基準(zhǔn)站建立在周圍比較開闊的地方，然后用RTK測(cè)量這些已知點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)是阜新市韓家杖子水文站，視野比較開闊，而且已知控制點(diǎn)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2）實(shí)驗(yàn)步驟：

①選一片開闊的區(qū)域，將基準(zhǔn)站架好。啟動(dòng)手簿將其與基準(zhǔn)站藍(lán)牙連接，按需將其與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)置調(diào)好，然后斷開手簿與基準(zhǔn)站的連接。

②將流動(dòng)站開機(jī)，在其初始化完成后，將手簿與基準(zhǔn)站通過藍(lán)牙連接。完事后，依次點(diǎn)擊“工程—新建工程”，在出現(xiàn)的界面中輸入工程名稱，點(diǎn)擊確定。然后進(jìn)行以下步驟：點(diǎn)擊“配置—坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置”，在出現(xiàn)界面的投影一欄下，將其中央子午線改成阜新所在的123，再點(diǎn)擊確定；依次點(diǎn)擊“配置—主機(jī)設(shè)置—儀器設(shè)置”，出現(xiàn)的界面中選中流動(dòng)站，將其配置參數(shù)按要求設(shè)置。

③求取轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于水文站斷面內(nèi)地勢(shì)平坦，且測(cè)區(qū)面積較小，因此測(cè)區(qū)的坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程擬合參數(shù)直接用接收機(jī)手簿里自帶的計(jì)算軟件分別按四參數(shù)法和平面擬合法求得。點(diǎn)擊“輸入—求取轉(zhuǎn)換參數(shù)”，在出現(xiàn)的頁面中點(diǎn)擊增加，將要求取轉(zhuǎn)換參數(shù)所需的點(diǎn)（201，201-4，201-5）的坐標(biāo)增加進(jìn)去，并在每個(gè)點(diǎn)上實(shí)際獲取一遍各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，即完成了轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。之后就可以開始對(duì)各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行RTK測(cè)量。

④分別在兩天的相同時(shí)段對(duì)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。在采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)手簿上顯示所測(cè)點(diǎn)的精度已經(jīng)達(dá)到固定解的時(shí)候，即可保存改點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后再次對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，當(dāng)精度達(dá)到時(shí)就保存數(shù)據(jù)，并依此進(jìn)行其他各個(gè)點(diǎn)的測(cè)量，直到所有點(diǎn)觀測(cè)完成。其他幾個(gè)時(shí)段亦是如此。

3）精度評(píng)定及結(jié)論

對(duì)RTK在同一時(shí)段對(duì)點(diǎn)進(jìn)行的重復(fù)測(cè)量成果與已知點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2，其中△X，△Y，△H分別表示已知值和RTK重復(fù)測(cè)量得到的點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的差值以及高程的差值。

由表2數(shù)據(jù)可看出測(cè)點(diǎn)1—5X坐標(biāo)的差值（絕對(duì)值）最大值分別為0.018，0.017，0.018，0.016，0.019 m，Y坐標(biāo)的差值（絕對(duì)值）最大值分別為0.017，0.038，0.011，0.006，0.018 m，點(diǎn)位誤差（絕對(duì)值）最大值分別為0.025，0.038，0.019，0.016，0.019 m，H坐標(biāo)的差值（絕對(duì)值）最大值分別為0.048，0.045，0.047，0.048，0.044 m。

計(jì)算可得RTK測(cè)量1—5點(diǎn)的點(diǎn)位精度Ms=±0.016，±0.030，±0.015，±0.010，±0.014 m；

通過以上RTK重復(fù)測(cè)量結(jié)果與已知數(shù)據(jù)的比較，可得到RTK觀測(cè)的穩(wěn)定性很好，測(cè)量的成果很可靠。在保證有較好的觀測(cè)條件下，RTK在小區(qū)域內(nèi)的測(cè)量成果坐標(biāo)精度都在5 cm以下，重復(fù)測(cè)量效果很好，RTK小區(qū)域內(nèi)測(cè)量成果的精度較高。

表2 不同測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量與已知數(shù)據(jù)對(duì)比m

續(xù)表2不同測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量與已知數(shù)據(jù)對(duì)比m

3.2.2 不同時(shí)間段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)及成果精度分析

1）實(shí)驗(yàn)概況

此次實(shí)驗(yàn)是將基準(zhǔn)站建立在周圍比較開闊的地方，然后用RTK測(cè)量這些已知點(diǎn)的坐標(biāo)。

2）實(shí)驗(yàn)方法

首先，每次實(shí)驗(yàn)都將基準(zhǔn)站、流動(dòng)站的配置參數(shù)設(shè)置成實(shí)驗(yàn)所需，然后分別在7月24日、7月28日的上午、下午兩個(gè)不同的時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并將其保存下來。

3）精度評(píng)定及結(jié)論

同一天的不同時(shí)段所測(cè)數(shù)據(jù)及不同天的不同時(shí)段數(shù)據(jù)的精度分析見表3。

通過對(duì)表3中數(shù)據(jù)的精度分析可以看出，在上午和下午兩個(gè)時(shí)段，時(shí)段對(duì)小區(qū)域RTK測(cè)量的影響并不是那么的顯著，但也是不能將其完全忽略。從上述分析中可以看出在RTK定位時(shí)，時(shí)段對(duì)其是有影響的但并不能影響RTK的高精度測(cè)量成果。文中上午和下午兩個(gè)時(shí)段的實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、可靠性還是較高的。所以，認(rèn)為RTK在正常情況下，不同時(shí)段內(nèi)的測(cè)量結(jié)果是穩(wěn)定、可靠的，其可持續(xù)提供高精度的測(cè)量成果。

4 結(jié)語

本文主要研究了GPS-RTK的定位原理、在小區(qū)域內(nèi)測(cè)量的成果精度等，并通過實(shí)驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了GPS-RTK在小區(qū)域內(nèi)的定位精度，其主要結(jié)論可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1）通過對(duì)RTK測(cè)量的結(jié)果和阜新市韓家杖子水文站的復(fù)測(cè)控制點(diǎn)進(jìn)行比較，可以得出RTK小區(qū)域內(nèi)測(cè)量成果可靠，觀測(cè)的穩(wěn)定性很好。在正常情況保證有較好的觀測(cè)條件下，RTK在小區(qū)域內(nèi)的測(cè)量在平面坐標(biāo)上的較差都在5 cm以下，部分平面坐標(biāo)的較差還在毫米級(jí)。因此，RTK在斷面測(cè)量中的精度較高。

2）在小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí)，大量的樹木、高壓線、高大的建筑物、大面積水域都會(huì)對(duì)RTK的測(cè)量成果有一定的影響，所以在進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí)要盡量避免大量的樹木、高大的建筑物、大面積水域、高壓線這些對(duì)測(cè)量成果造成影響的因素，以提高RTK在小區(qū)域內(nèi)測(cè)量的精度。

3）在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要待觀測(cè)衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度較高時(shí)采集數(shù)據(jù)；其次，作業(yè)員的責(zé)任心要強(qiáng)，并且觀測(cè)的成果要注意檢核。這些也是保證GPS-RTK小區(qū)域測(cè)量精度的因素，要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。

表3 相同日期不同時(shí)段觀測(cè)結(jié)果分析m

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2016-11-18