馮 祥 李淑一

（湖北文理學院理工學院）

1 GPS 系統(tǒng)的組成，工作原理及誤差來源

1.1 GPS系統(tǒng)的組成

GPS全球定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分組成，除此之外，測量用戶還應(yīng)有衛(wèi)星接收設(shè)備。

空間衛(wèi)星群 GPS的空間衛(wèi)星群由24顆高約20萬公里的GPS衛(wèi)星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛(wèi)星的軌道運行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4到11顆GPS衛(wèi)星發(fā)送出的信號。

GPS的地面控制系統(tǒng)：GPS的地面控制系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站，主控站的作用是根據(jù)各監(jiān)控站對 GPS的觀測數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去；同時還對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，調(diào)度備用衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)。注入站的作用是將主控站計算的數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。GPS地面控制系統(tǒng)主要設(shè)立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

RTK是一種全天候、全方位的新型測量系統(tǒng)，是目前實時、準確地確定近距離待測點位置的最佳方式之一，是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)。它需要一臺基準站接收機和一臺或多臺流動站接收機，以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娕_。RTK定位技術(shù)是將基準站的相位觀測數(shù)據(jù)及坐標信息通過數(shù)據(jù)鏈方式及時發(fā)送給動態(tài)用戶，動態(tài)用戶將通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)幕鶞收緮?shù)據(jù)連同自采集的相位觀測數(shù)據(jù)進行實時差分處理，從而獲得動態(tài)用戶的實時三維位置。

RTK系統(tǒng)主要由三大部分組成：基準站接收機、數(shù)據(jù)鏈、移動站接收機。

1.2 RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)是以載波相位測量與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的以載波相位測量為依據(jù)的實時差分GPS測量技術(shù)，是GPS測量技術(shù)發(fā)展里程中的一個標志，是一種高校的定位技術(shù)。它是利用2臺以上GPS接收機同時接收衛(wèi)星信號，其中一臺安置在已知坐標點上作為基準站，另一臺用來測定未知點的坐標——移動站，基準站根據(jù)該點的準確坐標求出其到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并將這一改正數(shù)發(fā)給移動站，移動站根據(jù)這一改正數(shù)來改正其定位結(jié)果，從而大大提高定位精度。它能夠?qū)崟r的地提供測站點指定坐標系的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。RTK技術(shù)根據(jù)差分方法的不同分為修正法和差分法。修正法是將基準站的載波相位修正值發(fā)送給移動站，改正移動站接收到的載波相位，再解求坐標；差分法是將基準站采集到的載波相位發(fā)送給移動站，進行求差解算坐標。RTK的關(guān)鍵技術(shù)主要是初始整周期模糊度的快速解算數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)質(zhì)完成——實現(xiàn)高波特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院蛷娍垢蓴_性。

1.3 RTK誤差來源

RTK定位的誤差，一般分為兩類：同儀器和干擾有關(guān)的誤差。同儀器和干擾有關(guān)的誤差：包括天線相位中心變化、多路徑誤差、信號干擾和氣象因素；同距離有關(guān)的誤差：包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。對固定基準站而言，同儀器和干擾有關(guān)的誤差可通過各種校正方法予以削弱，同距離有關(guān)的誤差將隨移動站至基準站的距離的增加而加大，所以RTK的有效作業(yè)半徑是有限制的（一般為幾公里）。同距離有關(guān)的誤差的主要部分可通過多基準站技術(shù)來消除。但是其殘余部分也隨著移動站至基準站距離的增加而加大。

2 RTK的技術(shù)特點

2.1 工作效率高：在一般的地形地勢下，高質(zhì)量的RTK設(shè)站一次即可測完4km半徑的測區(qū)，大大減少了傳統(tǒng)測量所需的控制點數(shù)量和測量儀器的設(shè)站次數(shù)，移動站一人操作即可，勞動強度低，作業(yè)速度快，提高了工作效率。

2.2 定位精度高：只要滿足RTK的基木工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)（一般為4km ）RTK的平而精度和高程精度都能達到厘米級。

2.3 全天候作業(yè)：RTK測量不要求基準站、移動站間光學通視 ，只要求滿足“電磁波通視”，因此和傳統(tǒng)測量相比，RTK測量受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，在傳統(tǒng)測量看來難于開展作業(yè)的地區(qū)，只要滿足RTK的基木工作條件，它也能進行快速的高精度定位，使測量工作變得史容易史輕松。

2.4 RTK測量自動化、集成化程度高，數(shù)據(jù)處理能力強：RTK可進行多種測量內(nèi)、外業(yè)工作。移動站利用軟件控制系統(tǒng)，無需人工干預(yù)便可自動實現(xiàn)多種測繪功能，減少了輔助測量工作和人為誤差，保證了作業(yè)精度。

2.5 操作簡單，易于使用：現(xiàn)在的儀器一般都提供中文菜單，只要在設(shè)站時進行簡單的設(shè)置，就可方便地獲得二維坐標。數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強，能方便地與計算機、其他測量儀器通信。

3 RTK的局限性和精度保障

當然RTK也有其局限性，會影響到執(zhí)行上述測量任務(wù)的能力。了解其局限性可確保RTK測量成功。

最主要的局限性其實不在于 RTK 本身，而是源于整個GPS系統(tǒng)。如前所述，GPS依靠的是接收兩萬多公里高空的衛(wèi)星發(fā)射來的無線電信號。相對而言，這些信號頻率高、信號弱，不易穿透可能阻擋衛(wèi)星和GPS接收機之間視線的障礙物。事實上，存在于GPS接收機和衛(wèi)星之間路徑上的任何物體都會對系統(tǒng)的操作產(chǎn)生不良影響。有些物體如房屋，會完全屏蔽衛(wèi)星信號。因此, GPS不能在室內(nèi)使用。同樣原因, GPS也不能在隧道內(nèi)或水下使用。有些物體如樹木會部分阻擋、反射或折射信號。GPS信號的接收在樹林茂密的地區(qū)會很差。樹林中有時會有足夠的信號來計算概略位置，但信號清晰度難以達到厘米水平的精確定位。因此，RTK在林區(qū)作業(yè)有一定的局限性。這并不是說，GPS RTK只適用于四周對空開闊的地區(qū)。RTK測量在部分障礙的地區(qū)也可以是有效而精確的。其奧秘是能觀測到足夠的衛(wèi)星來精確可靠地實現(xiàn)定位。在任何時間、任何地區(qū)，都可能會有7到10顆GPS衛(wèi)星可用于RTK測量。RTK系統(tǒng)的工作并不需要這么多顆衛(wèi)星。如果天空中有5顆適當分布的衛(wèi)星，就可作精確可靠的定位。有部分障礙的地點只要可以觀測到至少5顆衛(wèi)星，就有可能做RTK測量。在樹林或大樓四周作測量時，只要該地留有足夠的開放空間，使RTK系統(tǒng)可觀測到至少5顆衛(wèi)星，RTK 測量就有成功的條件。

為了保證地物點的測量精度，我們在選點時要采取以下措施：

1、點位應(yīng)設(shè)在易于安裝接收機設(shè)備、視野開闊、視場內(nèi)周圍障礙物高度角應(yīng)小于15°(如可以選在最高建筑物的頂樓或者山頂)。

2、點位應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、信號塔、微波通道等)，其距離不小于200 m；遠離高壓電線，距離不小于50m 。

3、點位附近不應(yīng)有大面積的水域或強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體。

4、點位選擇要充分考慮到與其它測量手段聯(lián)測和擴展。

5、點位要選在交通方便的地方，以提高工作效率。

6、點位要選在地面地基堅硬的地方，易于點的保存。

除此之外，為了保證地物點的測量精度，我們還要對接收機天線進行校驗，選擇有削弱多路徑誤差的各種技術(shù)的天線。同時，我們還要不斷利用新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以削弱各種誤差帶來的影響。

4 RTK點放樣及道路放樣

在使用RTK進行點放樣及道路放樣前的準備工作如下：

1.測前準備：獲取2～3個控制點的坐標（如果沒有已知數(shù)據(jù)可用靜態(tài)GPS先進行控制測量），解算或用相關(guān)軟件求出放樣點的坐標，檢查儀器是否能正常使用。

2.站的架設(shè)：將基準站架設(shè)在較空曠的地方（附近無高大建筑物或高壓電線等）

架設(shè)完后安裝電臺，連接好儀器后開啟基準站主機，打開電臺并設(shè)置頻率。

3.建立新工程：開啟移動站主機，待衛(wèi)星信號穩(wěn)定并達到5顆以上衛(wèi)星時，先連接藍牙，連接成功后設(shè)置相關(guān)參數(shù)：工程名稱、橢球系名稱、投影參數(shù)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置（未啟用可以不填寫），最后確定，工程新建完畢。

4.輸入放樣點：打開坐標庫，在此我們可以輸入編輯放樣點，也可以事先編輯好放樣點文件，點擊打開放樣點文件，軟件會提示我們是對坐標庫進行覆蓋或是追加。

5.測量校正：測量校正有兩種方法：控制點坐標求校正參數(shù)和利用點校正。

注：平面至少3個點，如果進行高程擬合則至少要有4個水準點參與點校正。

4.1 點放樣

當一切無誤后，選擇“測量”，并點擊點放樣，放樣點可現(xiàn)場添加，也可提前輸入放樣點庫，一般情況下提前將放樣點輸入放樣點點庫可以提高工作效率。輸入放樣點坐標后，手薄會有“東南西北”方位提示，根據(jù)提示即可找到所需放樣點位置。如提前編輯好放樣點坐標，當需放下一點時，只需點擊下一點／里程即可。

4.2 道路放樣

道路放樣與線放樣是相同的作業(yè)邏輯,只不過,道路比線的定義更加復(fù)雜,而且引入了縱斷面和橫斷面設(shè)計線,使得放樣點的計算稍微復(fù)雜一些，但是相對而言,道路放樣流程與線放樣的區(qū)別只在于定義線時的操作不同,后續(xù)的放樣點采集和點放樣工作是一樣的。

定義道路包括三個方面的數(shù)據(jù),分別是平面、縱斷面、橫斷面。 平面定線有很多種方式,一般使用交點表法或者線元法[又稱積木法]。交點表法基于一定的約定(例如單交點線路定義交點內(nèi)線元組合為緩和-圓曲-緩和),因此對線型有一定的表達限制，而使用線元法,則可以任意的組合出線路形狀，對于復(fù)雜曲線,例如卵形線,多交點曲線,虛交點等交點表數(shù)據(jù),用相應(yīng)的輔助軟件轉(zhuǎn)換獲得線元數(shù)據(jù),然后用線元法定線。

下面簡單介紹一下平斷面編輯之中的交點法；

例如：下為承秦01標直線、曲線及轉(zhuǎn)角表

?

交點法

點擊[交點法]進入交點數(shù)據(jù)編輯界面：

當所有交點數(shù)據(jù)編輯完成后點擊預(yù)覽可檢查圖形是否正確，如下圖：

（此圖為承秦01表主路線形）

其中檢查里程可以任意輸入測區(qū)之中里程樁號，并對照逐樁坐標表對照，檢查曲線要素輸入是否正確。

注：儀器型號為中海達V8。

當上述準備工作做好以后，我們就可以開始一些簡單的道路放樣了，如：道路橫斷面測量、路基中間計量等。根據(jù)手薄顯示提示對斷面上的點逐個進行采集，現(xiàn)最新版GIS+手薄系統(tǒng)記錄點庫中直接顯示每點距中距離，省去內(nèi)業(yè)計算各個橫斷面每點距中距離。

5 結(jié)論

GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應(yīng)用的重要領(lǐng)域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，往往由于這些地區(qū)地形條件的限制，實施常規(guī)的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。實時動態(tài)RTK技術(shù)在公路勘測與作業(yè)中的應(yīng)用，對等級公路的勘測手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了重大改變，極大地提高了精度和效率，對公路勘測、施工和后期養(yǎng)護、管理方面有著廣闊的應(yīng)用前景，為我國國民經(jīng)濟發(fā)展帶來了可觀的經(jīng)濟效益。隨著RTK價格的降低，它將會被測量部門所普及，隨著RTK的廣泛使用，它將使GPS的應(yīng)用領(lǐng)域獲得極大地擴展，從根本上提高測量的質(zhì)量和作業(yè)效率。但是，對于RTK的不足之處還有待于改進。