王翔 魏長壽

摘 要：本文通過實驗的方式對RTK技術(shù)在實施過程中分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對于定位精度的影響，通過實驗數(shù)據(jù)對比，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式，提高RTK定位精度，擬得到RTK技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到小范圍工程測量的精度要求，對在小范圍工程測量中RTK技術(shù)的推廣，提高作業(yè)效率，有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：RTK；工程測量；轉(zhuǎn)換參數(shù)；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.124

1 引言

RTK（Real Time Kinematic）實時動態(tài)定位技術(shù)，是一項以載波相位觀測為基礎(chǔ)的差分GPS測量技術(shù)。GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)點在于能夠進行實時定位，而且得到精度較高定位的定位成果，可以進行高質(zhì)量內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)處理，設(shè)備間無需通視，用途廣泛等特點[1]。

在小區(qū)域內(nèi)RTK測量首先要進行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量好壞將會嚴(yán)重影響RTK的測量精度[2]。本文通過實驗的方式對RTK技術(shù)在實施過程中分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對于定位精度的影響，通過實驗數(shù)據(jù)對比，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式，提高RTK定位精度，擬得到RTK技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到小范圍工程測量的精度要求，對在小范圍工程測量中RTK技術(shù)的推廣，提高作業(yè)效率，有著重要的意義。

2 實驗場地設(shè)計

首先在試驗場地進行E級GPS靜態(tài)定位控制網(wǎng)的布設(shè)，基線長度都在1km以內(nèi)，得到各實驗點的已知坐標(biāo)，布設(shè)控制網(wǎng)型如圖1所示。該實驗場地內(nèi)有道路、建筑、樹木等地物，環(huán)境模擬小區(qū)域城市工程測量的實施環(huán)境，可根據(jù)各個已知點為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)求解不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為進一步在實驗中分析RTK技術(shù)在實施過程中轉(zhuǎn)換參數(shù)對于定位精度的影響提供對比數(shù)據(jù)。

3 根據(jù)已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的實驗

GPS-RTK技術(shù)在實施的過程中，其實質(zhì)就是先求解WGS-84坐標(biāo)系到地方獨立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，再使用該轉(zhuǎn)換參數(shù)將獲得的測點WGS-84坐標(biāo)換算成地方獨立坐標(biāo)。因此使用合理的轉(zhuǎn)換模型，獲取精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)才是有效提高RKT定位精度的有效手段。

3.1 參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的選擇

參數(shù)轉(zhuǎn)換模型有兩種，一種是七參數(shù)模型，利用至少3個已知點來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，會得到一個尺度變化參數(shù)（m）、三個平移變化參數(shù)（?X0、?Y0、?Z0）、以及三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)（εX、εY、εZ ）。另一種是四參數(shù)模型，利用至少2個已知點來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，會得到一個尺度變化參數(shù)（m）、以及三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)（εX、εY、εZ ）。

本文利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個點為已知點，分別7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和4參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的方式計算RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，并分別使用兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的RTK方法對KH31-KH38共8個點進行點位數(shù)據(jù)的獲取，并與KH31-KH38共8個點的已知數(shù)據(jù)進行比較實驗。實驗結(jié)果表明使用7參數(shù)模型計算得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行RTK測量其平面定位精度誤差達(dá)到米級，而使用4參數(shù)模型計算得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)進行RTK測量其平面定位精度誤差很小，都在2cm范圍內(nèi)；在高程精度方面，兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)所得到的定位精度誤差都在2cm范圍以外，由實驗可知在小區(qū)域工程測量實施過程中，由于求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點所覆蓋的面積非常小，而七參數(shù)模型在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的過程中，更多的考慮了地球曲率的影響，反而使結(jié)果誤差很大，所以不考慮地球曲率應(yīng)選用四參數(shù)模型求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到更好的定位精度結(jié)果。

3.2 選用相同已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)對相同點在不同時段進行RTK數(shù)據(jù)對比的實驗

實驗利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個點為已知點，使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計算RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，并使用RTK的方法對KH31-KH38共8個點分上午、中午、下午三個不同時段進行點位數(shù)據(jù)的獲取，并與KH31-KH38共8個點的已知數(shù)據(jù)進行比較。

通過實驗數(shù)據(jù)對比分析得到，在采用相同已知點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)并在上午、中午、下午三個不同時段對相同的點進行觀測時，其觀測結(jié)果與已知點相比較誤差也有不同。X、Y兩個平面方向坐標(biāo)上午、下午兩個時段的實驗數(shù)據(jù)，各點RTK觀測值與各點已知坐標(biāo)的較差都很小，幾乎都在10mm以內(nèi)；而各點中午時段的X、Y兩個平面方向RTK觀測值與各點已知坐標(biāo)的較差都較大，基本都在10mm以上，通過實驗得到，在使用相同已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下，上午和下午的觀測精度要明顯好于中午時段的觀測精度，在中午時段電離層受到太陽黑子的運動的影響是一天中最劇烈的，GPS信號在此時段穿過電離層會受到相對較大的影響，實驗表明在上午和下午進行RTK觀測能夠有效提高平面觀測精度，實驗數(shù)據(jù)表明觀測誤差在2cm范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程測量的要求。

在高程觀測精度上，通過上述實驗數(shù)據(jù)得到，三個時段的觀測誤差都較大，通過實驗證明RTK在高程測量方面的精度是難以保證的。

3.3 選用不同已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段對相同點進行RTK數(shù)據(jù)對比的實驗

實驗分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個點為已知點，和利用圖1中KH1、KH2、7三個點為已知點，兩組已知點都使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計算得到兩組RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別使用這兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段且使用同一個基準(zhǔn)站對KH31-KH38共8個點進行點位數(shù)據(jù)的獲取，分別與KH31-KH38共8個點的已知數(shù)據(jù)進行比較。實驗結(jié)果如表1所示。

通過上表的實驗數(shù)據(jù)對比分析可知，在選用不同已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段對相同點進行RTK觀測時，其觀測結(jié)果與已知點相比較誤差也有不同。從表2中X、Y兩個平面方向坐標(biāo)使用不同轉(zhuǎn)換參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)可知，在使用KH21、KH22、KH23三點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標(biāo)的較差都很小，幾乎都在10mm以內(nèi)；而使用KH1、KH2、7三點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標(biāo)的較差都較大，基本都在10mm以上；通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，使用KH21、KH22、KH23三點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時得到的RTK測量值精度更高，實驗數(shù)據(jù)表明觀測誤差在2cm范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程測量的要求。通過圖1 可以看出，KH21、KH22、KH23三點與KH31-KH38共8個點的距離更為接近，形成的控制網(wǎng)型更為穩(wěn)固；也與4參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的求解過程有關(guān)，KH21、KH22、KH23三點所圍成的面積比KH1、KH2、7三點圍成的面積更小，更接近于一個平面，更適合于4參數(shù)模型解算出更精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)；轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量也與已知點的精度有很大關(guān)系，KH1點附近有16層的高樓，在數(shù)據(jù)靜態(tài)解算時發(fā)現(xiàn)該點的信號接收狀態(tài)不甚理想。從實驗結(jié)果得知，通過選擇形成更穩(wěn)固的網(wǎng)型的控制點作為求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點，以及選擇更為可靠的已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，能夠?qū)D(zhuǎn)換參數(shù)進行優(yōu)化，進而有效提高RTK平面測量成果的精度。

在高程觀測精度上，通過上述實驗數(shù)據(jù)可知，兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的觀測誤差都較大，通過實驗證明RTK在高程測量方面的精度是難以保證的。

3.4 實驗分析轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點的數(shù)量關(guān)系

從上個實驗結(jié)果可以得出，選擇不同的已知點求解出不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)得到的RTK測量結(jié)果的精度也是不同的，下面來分析一下轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點的數(shù)量是否存在一定的關(guān)系，實驗分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個點為已知點，和利用圖1中KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個點為已知點，兩組已知點都使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計算得到兩組RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別使用這兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段且使用同一個基準(zhǔn)站對KH31-KH34共4個點進行點位數(shù)據(jù)的獲取，分別與KH31-KH34共4個點的已知數(shù)據(jù)進行比較。實驗結(jié)果如表2所示。

通過上表的實驗數(shù)據(jù)對比分析可知，在選用不同數(shù)量已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段對相同點進行RTK觀測時，其觀測結(jié)果與已知點相比較誤差也有不同。從表3中X、Y兩個平面方向坐標(biāo)使用不同轉(zhuǎn)換參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)可知，在使用KH21、KH22、KH23三個點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標(biāo)的較差都很小，幾乎都在10mm以內(nèi)；而使用KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標(biāo)的較差都較大，基本都在10mm以上；通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，使用KH21、KH22、KH23三點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時得到的RTK測量值精度更高，實驗數(shù)據(jù)表明觀測誤差在2cm范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程測量的要求。在高程觀測精度上，通過上述實驗數(shù)據(jù)可知，兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的觀測誤差都較大，所以RTK在高程測量方面的精度是難以保證的。

由實驗結(jié)果可知，使用更多的已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)并不能使RTK測量結(jié)果更為精確，根據(jù)4參數(shù)模型計算原理，若參與計算的已知點多于兩個就會使轉(zhuǎn)換參數(shù)存在殘差，這是由于已知點在WGS-84坐標(biāo)下所構(gòu)成的基線長度與這些已知點在獨立坐標(biāo)系下構(gòu)成的基線長度不相等造成的，其實質(zhì)原因是因為已知點的數(shù)據(jù)可能存在一定誤差，如果把存在誤差的已知點用來計算轉(zhuǎn)換參數(shù)就會造成轉(zhuǎn)換參數(shù)不夠精確，從而影響RTK數(shù)據(jù)的精度。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出參與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點個數(shù)與RTK觀測質(zhì)量并無直接關(guān)系，如果已知點存在誤差還會降低RTK觀測質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

本文通過在常規(guī)小區(qū)域工程測量實施環(huán)境的觀測條件下，分析轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點的數(shù)量關(guān)系等實驗得到以下結(jié)論：

（1）在常規(guī)小區(qū)域工程測量實施環(huán)境的RTK觀測條件下，選用四參數(shù)模型求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到更好的定位精度結(jié)果。

（2）在采用相同已知點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)進行觀測時，上午和下午的平面觀測精度要明顯好于中午時段的觀測精度。

（3）在選用不同已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段對相同點進行RTK觀測時，選擇形成更穩(wěn)固的網(wǎng)型的控制點作為求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點，以及選擇更為可靠的已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，能夠?qū)D(zhuǎn)換參數(shù)進行優(yōu)化，進而有效提高RTK平面測量成果的精度。

（4）實驗證明在選用不同數(shù)量已知點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時段對相同點進行RTK觀測時，參與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點個數(shù)與RTK觀測質(zhì)量并無直接關(guān)系，如果已知點存在誤差還會降低RTK觀測質(zhì)量。

在實驗的過程中求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時，手部無法顯示出參與計算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點是否存在殘差，若能實時獲取已知點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)存在的殘差數(shù)據(jù)，則可對殘差較大的已知點進行剔除，選擇更精確的已知點計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的優(yōu)化，提高測量精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]余小龍，胡學(xué)奎.GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)缺點及發(fā)展前景[J].測繪通報，2007（10）：39-41.

[2]顧勝東，劉長義.淺談GPS-RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)對平面精度的影響[J].山西建筑，2008，34（14）：358-359.

內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項目 項目編號：2016QDL-S07