許艷博 李 毅 崔醒宇 王名洋

(1.北京市測繪設計研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

0 引言

20世紀末，出現(xiàn)了網(wǎng)絡實時動態(tài)載波相位差分技術(Real Time Kinematic，RTK)，該技術是在全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)-RTK測量技術、計算機技術、通信網(wǎng)絡技術的基礎上發(fā)展起來的一種實時動態(tài)定位新技術[1-3]，它擴大了覆蓋范圍、降低了作業(yè)成本、縮短了工作時間，彌補了GPS-RTK測量隨著作業(yè)半徑增大而產生系統(tǒng)誤差的致命缺陷，但此技術依賴通信網(wǎng)絡，在通信網(wǎng)絡不佳的狀況下很難保證定位精度與作業(yè)效率，這就需要采用其他的作業(yè)方式進行輔助，通常的做法是利用網(wǎng)絡RTK在收斂精度好的區(qū)域布設GPS點，在此基礎上利用全站儀引測三級導線來完成后續(xù)放線工作，但此方法效率低下，放線作業(yè)不靈活，經(jīng)常會受到通視條件的制約導致部分樓角角點不能放樣。規(guī)劃監(jiān)督項目一般為幾幢樓或一個小區(qū)，整體覆蓋范圍較小，GPS-RTK技術的優(yōu)勢就可以得到很好地發(fā)揮，單基站GPS-RTK架設靈活，無須通信網(wǎng)絡，可以利用網(wǎng)絡RTK布設的GPS點坐標計算四參數(shù)、七參數(shù)，實現(xiàn)GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK的快速協(xié)同作業(yè)。

本文闡述了GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK技術的原理及作業(yè)差異，通過公式推導GPS-RTK的點位中誤差，以及實地獲取的實驗數(shù)據(jù)進行比對分析，綜合各方面因素對GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK進行評價，驗證了GPS-RTK的定位精度可以滿足規(guī)劃放線的規(guī)范要求，為今后使用GPS-RTK進行規(guī)劃放線、撥地釘樁等提供技術支撐。

1 差分技術

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的定位精度受到很多因素的影響，雖然可以建立不同的模型來加以改正或消除，但殘差的影響仍然很嚴重。為了提高定位的精度，可以通過接收機觀測數(shù)據(jù)進行求差，此方法可以消除基準站和流動站的相關誤差，實現(xiàn)高精度的相對定位。差分GPS技術因此誕生。

差分定位是指使用兩臺以上的GNSS接收機作同步觀測，其最基本情況是使用兩臺GNSS接收機，分別安置在兩個測站上，并同步觀測相同的GNSS衛(wèi)星，由于在同一時刻、同一地域內流動站接收機、基準站對同一衛(wèi)星的距離測量值有著相關或者相近的誤差。因而，如果基準站將其接收機對衛(wèi)星的測量誤差通過電波發(fā)送給流動站，那么流動站接收機就可以利用接收到的基準站接收機的測量誤差來校正其對同一衛(wèi)星的距離觀測值，從而提高其測量與定位精度[4-5]。

2 GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK技術的原理及作業(yè)差異

2.1 GPS-RTK技術原理

GPS-RTK的基本原理可以表述為：將一臺接收機架設在已知坐標的位置作為基準站，另外的一臺或多臺接收機作為流動站，基準站與流動站同時觀測視野內的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準站將載波觀測值和已知點的坐標信息等實時的發(fā)送給流動站[6-7]，流動站接收到信息后通過系統(tǒng)內的軟件做差分處理，然后利用與基準站的空間相關性得出流動站的精確坐標,如圖1所示。

圖1 GPS-RTK工作原理

2.2 網(wǎng)絡RTK技術原理

網(wǎng)絡RTK技術是連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)產生最重要原因和最主要的應用方式之一。在某一區(qū)域內建立若干個GNSS參考站,對該地區(qū)構成網(wǎng)狀覆蓋,聯(lián)合若干參考站數(shù)據(jù)解算或消除電離層、對流層等影響,發(fā)播GNSS改正信息,對該地區(qū)內的GNSS用戶進行實時載波相位/偽距差分改正的定位方式,稱為網(wǎng)絡RTK[8-9],如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡RTK工作原理

2.3 GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK技術的作業(yè)差異

GPS-RTK技術和網(wǎng)絡RTK技術的原理不同，所以他們最大的差異就是覆蓋范圍不一樣，后者覆蓋范圍更廣。GPS-RTK覆蓋范圍在10 km以內，而且精度隨著距離的增大而降低。在相同基準站的情況下，GPS-RTK技術是在作業(yè)半徑內，流動站圍繞基準站工作，各個基準站相互獨立[10]，而網(wǎng)絡RTK解算的是多基站的差分數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡覆蓋的范圍內測量精度不會因為和基準站距離的增大而變化，差分的范圍還可以向網(wǎng)外延展。網(wǎng)絡RTK比GPS-RTK定位精度分布更均勻。網(wǎng)絡RTK可以提供比GPS-RTK更高的可靠性。GPS-RTK是單基站差分數(shù)據(jù)，基準站有任何狀況發(fā)生就將影響流動站。而網(wǎng)絡RTK則不同，即使有某個基站發(fā)生了意外狀況，系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)內的其他基站重新解算差分數(shù)據(jù)，繼續(xù)為流動站發(fā)送有效信息。系統(tǒng)還可以根據(jù)多余觀測值來剔除個別基站的粗差數(shù)據(jù)，從而大大提高了可靠性。

3 GPS-RTK數(shù)據(jù)精度分析

3.1 GPS-RTK測量距離中誤差

GPS-RTK放樣點間距離S由兩放樣點的坐標反算求得,設有兩相鄰放樣點1、2,根據(jù)兩點間距離公式有

(1)

求全微分得

(2)

由誤差傳播定律得

(3)

對于任意測量點,我們可以假設mx=my=m,則式(3)可簡化為

(4)

式(1)～(4)中，x1,x2為點坐標南北分量；y1、y2為點坐標東西分量；S為兩點間距；ms為兩點間距中誤差；mx為南北分量中誤差;my為東西分量中誤差。

(5)

式中,a為固定誤差(mm);b為比例誤差系數(shù)(1×10-6);D為基準站到流動站的距離(km)。

本次測試選用中海達iRTK5，RTK的平面標稱精度：±(8+1×10-6×D) mm。在規(guī)劃監(jiān)督工程項目中，基準站與流動站的間距一般小于500 m，我們暫以500 m為例，計算放樣點相對于基準站的點位中誤差為：

(6)

從以上儀器標稱±8.0 mm精度和理論計算，GPS-RTK的測量精度在小范圍內可以滿足規(guī)劃放線規(guī)范要求[11]。

3.2 GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK的協(xié)同作業(yè)測試分析

選取一塊比較典型的施工場地作為本次項目的測試實驗的場地，如圖3所示。

圖3 測試實驗場地

現(xiàn)場利用北京GNSS網(wǎng)絡RTK布設三個GPS點K1,K2,K3，并利用具有0.5″測角精度的徠卡Nova TS50全站儀對其進行角度和距離的坐標歸化。在此基礎上布設施工導線一條，導線點坐標視為真值，用以檢測評估GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK的相對定位精度。B1～B6為導線點，S1～S9為導線點間距，a1～a8為導線夾角。GPS點與導線點布設情況如圖4所示。

圖4 GPS點與導線點布設

利用網(wǎng)絡RTK分別對新布設的導線點進行數(shù)據(jù)采集；GPS-RTK利用坐標歸化后的GPS點K1,K3進行四參數(shù)轉換，四參數(shù)的轉換效果主要看旋轉和尺度，旋轉不能超過1°，尺度大于0.999 9小于1.000 09，完成設置后對K2點進行校核，檢查設置是否正確和定位精度情況。然后對新布設的導線點、K1、K3進行數(shù)據(jù)采集。

測試坐標測試結果如表1和表2所示，在網(wǎng)絡RTK信號良好的情況下，GPS-RTK與網(wǎng)絡RTK的絕對定位精度大致相同。表1和表2中，Y為東西坐標，X為南北坐標，ΔY，ΔX為較差。

點位的相對關系如表3和表4所示,《工程測量技術規(guī)程》DB11/T 339—2016關于規(guī)劃監(jiān)督放線的規(guī)定：校核限差應符合規(guī)劃用地邊長在25 m以下時，撥條件角檢查點位不應大于10 mm；實測邊長與條件邊長較差，50 m以下的應在±20 mm之內。由表3和表4可以看出在小范圍內進行作業(yè)，GPS-RTK的測角、測邊穩(wěn)定性優(yōu)于網(wǎng)絡RTK，GPS-RTK的檢測角與邊長相對誤差滿足規(guī)范要求，在通信網(wǎng)絡不佳的偏遠地區(qū)，可以先利用網(wǎng)絡RTK在信號優(yōu)良的區(qū)域進行首級控制點布設，在此基礎上可以引測導線點至測區(qū)作為GPS-RTK的控制點，當網(wǎng)絡RTK布設的控制點距離測區(qū)較近時，GPS-RTK則可以直接利用，參數(shù)轉換后即可進行定位測量。

表1 網(wǎng)絡RTK坐標測試結果 單位：m

表2 GPS-RTK坐標測試結果 單位：m

表3 GPS-RTK、網(wǎng)絡RTK檢測角較差

表4 GPS-RTK、網(wǎng)絡RTK邊長相對誤差 單位：m

表5 校核限差

4 結束語

網(wǎng)絡RTK技術是GPS-RTK技術的發(fā)展方向，但到目前為止,因為CORS系統(tǒng)的普及情況及通信網(wǎng)絡的影響，并不能完全取代GPS-RTK測量，GPS-RTK有其自身獨特的優(yōu)勢，它不需要公網(wǎng)，無線電數(shù)據(jù)鏈在短距離通信更加穩(wěn)定。通過本文測試表明，在小范圍內進行規(guī)劃監(jiān)督放線測量、道路中線測設、撥地釘樁、條件點串測方面，相比全站儀導線測量效率更高，相比網(wǎng)絡RTK數(shù)據(jù)，其相對位置更加精準。在一定區(qū)域內，GPS-RTK、網(wǎng)絡RTK協(xié)同作業(yè)，會大大提高工作效率，降低勞動強度，保證數(shù)據(jù)質量。

使用GPS-RTK模式需要對GPS手簿進行多項設置，并求解轉換參數(shù)，對操作人員的素質要求更高，外業(yè)時還需要注意基準站盡量選擇在測區(qū)內地勢相對較高，且架設在安全、牢固的地方，避免晃動和其他因素的干擾。一鍵設置GPS-RTK模式是下一步需要研究的方向。