馮文軍

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

水利工程控制測量中GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用與精度分析

馮文軍

(重慶市水利電力建筑勘測設(shè)計(jì)研究院，重慶 401120)

針對水利工程控制測量專業(yè)中GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用問題，結(jié)合某地區(qū)防洪工程實(shí)際情況，在簡述GPS RTK技術(shù)優(yōu)勢與原理的基礎(chǔ)上，從誤差來源與計(jì)算入手開展GPS RTK技術(shù)測量精度分析，并通過分析得出GPS RTK技術(shù)滿足五等導(dǎo)線控制點(diǎn)對于限差提出的要求，可在低等級的控制測量作業(yè)中應(yīng)用的結(jié)論。

水利工程控制測量；GPS RTK技術(shù)；誤差分析；精度分析

如今，GPS RTK技術(shù)已經(jīng)是水利工程控制測量常用手段，無論是在提高測量效率還是保證測量精度上都具有十分重要的作用。但由于誤差因素的影響，使得GPS RTK技術(shù)應(yīng)用存在精度方面的問題，需根據(jù)情況進(jìn)行精度分析，以滿足工程要求。

1 GPS RTK技術(shù)優(yōu)勢

GPS RTK技術(shù)的出現(xiàn)為以往工程測繪專業(yè)帶來了一次徹底的技術(shù)革命。GPS RTK技術(shù)不僅具有操作方便、準(zhǔn)確度高、受外界因素影響小等特點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)平面實(shí)時(shí)定位，且自動(dòng)化程度極高。通過實(shí)踐，可將GPS RTK技術(shù)優(yōu)勢總結(jié)為以下3個(gè)方面：

1)可對定位的精度進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，而且實(shí)際操作十分簡單。

2)支持碎部地形地貌的快速測繪，還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字成圖。

3)可在事前對設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行輸入，以此完成下程放樣。

然而，GPS RTK技術(shù)存在一定應(yīng)用局限性，使其在某些情況下無法滿足精度要求。鑒于GPS RTK存在眾多技術(shù)優(yōu)勢，在有效克服技術(shù)應(yīng)用局限性等問題的前期下，在某地區(qū)防洪工程測繪中嘗試使用GPS RTK技術(shù)，并對其測量精度進(jìn)行分析。

2 定位原理

GPS RTK是將實(shí)時(shí)載波相位差分作為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)定位和測量技術(shù)。在GPS RTK技術(shù)中，基準(zhǔn)站不僅對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，還要借助數(shù)據(jù)鏈等站點(diǎn)的坐標(biāo)信息與觀測值傳輸?shù)搅鲃?dòng)站。而流動(dòng)站則需在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上接收基準(zhǔn)站發(fā)出的數(shù)據(jù)鏈，同時(shí)在相應(yīng)系統(tǒng)中完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的載波相位差分，最終給出定位的結(jié)果[1]。GPS RTK技術(shù)還可以分成差分法與修正法。其中，修正法是指將修正值傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，對站內(nèi)載波相位進(jìn)行改正處理，由流動(dòng)站對坐標(biāo)信息進(jìn)行求解，這種方法也被稱之為準(zhǔn)GPS RTK；差分法主要將基準(zhǔn)站中的載波相位傳輸?shù)搅鲃?dòng)站中，然后由流動(dòng)站對坐標(biāo)信息進(jìn)行差分求解。

3 誤差來源

該防洪工程使用TOPCON HIPER雙頻GPS接收機(jī)，其在靜態(tài)測量模式下的平面精度可保持在3mm+1ppm×D。GPS RTK測量模式下的平面精度一般為10mm+1.5ppm*D。以上的D值表示基線距離。通過分析，測量誤差主要來源于以下3個(gè)方面：

1)GPS衛(wèi)星星歷誤差、鐘誤差及受相對論效應(yīng)的影響；

2)信號(hào)傳播過程中受到對流層與電離層以及多路徑效應(yīng)等因素的影響；

3)接收信號(hào)的過程產(chǎn)生誤差，或其他外部因素影響。

4 實(shí)際測量誤差與精度分析

靜態(tài)GPS RTK點(diǎn)是指在測區(qū)中按5km間隔進(jìn)行布置的測點(diǎn)，一般與已知點(diǎn)實(shí)施聯(lián)測，再利用后處理計(jì)算機(jī)軟件實(shí)施平差轉(zhuǎn)換，求取測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)的均值，這些測點(diǎn)主要是在復(fù)合形式的限差條件下完成平差，因此轉(zhuǎn)換參數(shù)具有很高的精度。在此基礎(chǔ)上布設(shè)相應(yīng)的導(dǎo)線控制測量，這樣可使起算精度具有一致性[2]。在后續(xù)操作中，會(huì)對測點(diǎn)測量精度造成影響的因素有：

1)基準(zhǔn)站架設(shè)產(chǎn)生的中誤差，用m站表示。

2)GPS接收機(jī)的標(biāo)稱精度，用m標(biāo)表示。

3)數(shù)據(jù)解算軟件精度，用m解表示。

4)對中桿誤差，用m對表示。

以上4種誤差都是偶然性誤差，而且不同誤差相互獨(dú)立，不存在關(guān)聯(lián)。

針對這4種誤差分析測量精度：

1)m站：誤差表現(xiàn)為基準(zhǔn)站天線中心無法與控制點(diǎn)處于同一條垂直線。通常采用水準(zhǔn)器確保二者處于同一條垂直線。水準(zhǔn)器還可分為管狀水準(zhǔn)器與圓狀水準(zhǔn)器。其中，圓狀水準(zhǔn)器的中央為球面，球面頂點(diǎn)是水準(zhǔn)零點(diǎn)，而分劃則是將零點(diǎn)作為圓心的標(biāo)準(zhǔn)圓，其半徑相對較小。管狀水準(zhǔn)器內(nèi)部為旋轉(zhuǎn)弧面，管中注有液體，液體具有流動(dòng)性強(qiáng)、附著能力弱且冰點(diǎn)低等特點(diǎn)，水準(zhǔn)器外部設(shè)有分劃線。

圓心角的角度(2mm)是衡量與判斷水準(zhǔn)器是否精確的關(guān)鍵指標(biāo)。本工程選用圓狀水準(zhǔn)器，其指標(biāo)精度為8分。根據(jù)測量的幾何關(guān)系，由基座完成光學(xué)對中，對中受指標(biāo)精度方面的影響即為對中偏離垂直線的角度。采用這一方法可推算出m站大小。

m站=Hi×tan(8’)

(1)

式中：Hi為儀器高度，本次測量取1.5m。代入數(shù)值進(jìn)行計(jì)算可得m站=3.49mm。

2)m對：m對的計(jì)算公式為：

m對=Ht×tan(8’’)

(2)

式中：Ht為桿高度，本次測量取2.0m。代入數(shù)值進(jìn)行計(jì)算可得m對=4.65mm。

3)m標(biāo)：測量中，有效作業(yè)半徑一般不會(huì)超過5km，根據(jù)GPS RTK的標(biāo)稱精度可對接收機(jī)誤差進(jìn)行推算，計(jì)算公式為：

m標(biāo)=10mm+1.5×5km/1.0km

(3)

經(jīng)單位換算和計(jì)算可得：m標(biāo)=17.5mm。

4)m解：對于數(shù)據(jù)解算軟件精度，其主要與觀測時(shí)間有關(guān)。一般情況下，隨觀測時(shí)間的延長，所需解算時(shí)間越長，解算結(jié)果的精度也就越高。多數(shù)情況下當(dāng)解算結(jié)果精度≤3m時(shí)就可以對解算數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，故m解=3mm。

5)在得出上述四種誤差后，即可使用誤差傳播定律對測點(diǎn)精度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

m測2=m站2+m標(biāo)2+m對2+m解2

(4)

式中：m測為測點(diǎn)精度，代入以上數(shù)值進(jìn)行計(jì)算可得m測=18.7mm。

結(jié)合不同的測量距離，對點(diǎn)位誤差、相對于基準(zhǔn)站的精度、最弱點(diǎn)的點(diǎn)位精度以及邊長相對差進(jìn)行估算，估算結(jié)果如表1所示。

表1 不同測量距離下的精度估算結(jié)果

通過對表1和相應(yīng)技術(shù)要求的對比可得，當(dāng)測量距離<4km時(shí)，測點(diǎn)所有誤差都在五等導(dǎo)線的限差之內(nèi)。因此，采用GPS RTK技術(shù)對控制點(diǎn)進(jìn)行測量，滿足五等導(dǎo)線控制點(diǎn)對于限差提出的要求，可在低等級的控制測量作業(yè)中應(yīng)用。

5 結(jié) 語

基于GPS RTK技術(shù)的工程控制測量徹底改變了以往由高至低的測量模式，可在控制點(diǎn)下對圖根點(diǎn)進(jìn)行直接布設(shè)，不存在積累誤差的現(xiàn)象。此外，測量作業(yè)僅需2-3人即可完成，無需人工記錄，顯著提升測量效率。而且不同控制點(diǎn)之間還不需要實(shí)現(xiàn)通視，受時(shí)間與天氣氣候等因素影響小，支持全天候作業(yè)。

[1]杜珍應(yīng).GPSRTK技術(shù)在水利工程控制測量中的精度分析[J].煤炭技術(shù),2014,10(05):118-119.

[2]劉子路.GPSRTK技術(shù)在控制測量中的應(yīng)用及精度分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2014,11(04):80-82.

1007-7596(2017)08-0170-02

2017-07-23

馮文軍(1979-)，男，四川鄰水人，工程師，從事測繪方面工作。

P228.4

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