水利工程測量中GPS-RTK 的應用探討

李劍

（黔西南州水利水電勘測設計研究院，貴州 興義 562400）

1 引言

載波相位差分技術，又稱RTK（Real－TimeKinematic）實時動態定位技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。能夠實時提供測點（用戶站）在指定坐標系的三維坐標成果，在測程20km 以內可使三維定位精度達到厘米級，是GPS 測量技術與數據傳輸技術相結合的產物，實現了GPS 測量技術發展中的一個新的突破，具有實時定位速度快、抗干擾性能好、保密性強、誤差不累積、操作簡便、自動化程度高、節省人力、成本低、全天候作業等特點，現已廣泛應用于海上精密定位、工程放樣、地形測圖和地籍測量等領域。多年來，我院在使用GPS-RTK 進行水利工程測量時也遇到了一些困難和問題，本文針對這些在生產過程中出現的難點問題進行分析，并提出解決問題的辦法。

2 RTK 的基本原理

RTK 稱實時動態載波相位差分。其設備是在兩臺靜態型測量儀器間加上一套無線電數據通訊系統（也稱數據鏈），將相對獨立的GPS 信號接收系統連成一個有機整體。基準站把接收到的所有衛星信息（包括偽距和載波相位觀測值）和基準站的一些信息（如基準站的坐標、天線高等）都通過通訊系統傳送到流動站，流動站本身在接收衛星數據的同時，也接收基準站傳送的衛星數據，在流動站完成初始化后，把接收到的基準站信息傳到控制器內（一般是微型計算機），并將基準站的載波觀測信號與本身接收到的載波觀測信號進行差分處理，即可實時求解得出兩站間的基線值，同時輸入相應的坐標、轉換參數和投影參數，即可實時求得實用的厘米級的流動站坐標。

3 RTK 作業中出現的問題與處理方法

3.1 大地高向正常高的轉化

GPS 儀器直接測出的是WGS-84 坐標系下的大地高，經七參數（或三參數等）轉換可變成地方坐標系下的大地高。大地高與正常高的關系是： H=H常+ζ

其中，H 為大地高，H常為正常高，ζ為高程異常值。而水利工程需要的測量結果一般是正常高，這樣一來快速準確地求解ζ成為首要問題。求解ζ的方法很多，常用的有等值線圖法、高程擬合法和大地水準面模型法，也可利用軟件直接求得。

在高程異常值變化比較小的地方測量，例如平原地區，可采用在基準站直接輸入北京54 平面坐標。用基準站的高程改正數去改正流動站的高程，直接得出流動站的正常高。而在高程異常值變化比較大的地方，例如山區，再用上述簡單的方法，則測出的正常高誤差較大，很難滿足工程要求，解決辦法是：①野外用大地坐標放樣或測量，得出每點的大地高，用當地高程異常模型進行改正；②用地方平面坐標放樣或測點，得出基于基準站高程異常值的海拔高，用高程異常值差值（可從異常圖上量取）進行改正；③利用高程擬合法求取。

3.2 初始化

RTK 測量模式，一般需流動站在某一起始點上，靜止地觀測數分鐘，以便進行初始化工作。之后，運動的接收機按預定的采樣時間間隔自動地進行觀測，并連同基準站的同步觀測數據，實時地確定采樣點的空間位置。現在的雙頻接收機都具有OTF（on the fly）初始化模式，在運動中就能完成初始化，速度快，可靠性高。但在實際RTK 測量時我們發現，有時也存在著初始化困難的現象。

如果流動站無法完成初始化，在流動站上要依次檢查：①四周有無障礙物及干擾源；②有無電臺信號；③收到的衛星數量及質量；④離基準站是否較遠；⑤接收機與手簿和天線之間是否連接正常。在基準站檢查：①基準站是否正確啟動并通過電臺發射數據；②電臺電源電壓是否較低；③電臺是否存在干擾源（一般的PDL 電臺存在干擾源時指示燈亮或閃爍）。除此之外，還要檢查流動站電臺頻率與基準站電臺頻率是否一致。通過以上檢查，排除干擾后，一般都能獲得初始化。

還有一種特殊情況，既在排除以上提到的干擾后仍然無法完成初始化，這時就要考慮是否是衛星信號的質量問題。有時在某一時間的某一地區，初始化就很難完成。例如，我院在某水庫工程地形測量過程中，流動站處在開闊地帶，能接收到8 顆衛星（衛星截止高度角 13°，PDOP≤6），電臺信號良好，離基準站只有3km 遠，此時初始化卻無法完成。經反復檢查發現流動站和基準站上接收到的衛星雖然都是8 顆，但其個別衛星L1 和L2波段上的信號有所不同。在基準站上，15 號和29 號衛星只有L1 波段，L2 波段上無信號，而在流動站上，這兩顆衛星的L1 和L2 波段信號良好，由此造成無法初始化。解決辦法是在流動站上關閉15 號和29 號衛星信號的接收，盡管仍然接收基準站電臺的這兩顆衛星的信號，但它們已不參與解算，初始化順利完成。實踐表明，在多數情況下基準站和流動站接收到衛星的L1 和L2 波段的信號會有所不同，如果無法完成初始化，可嘗試使用上述方法。

3.3 RTK 施測困難地區

由于在山區、密林中或城市高樓密集地帶，收不到基準站信號或時有時無，流動站衛星信號接收不好，導致RTK 作業非常困難。通過多次實踐，采用以下方法可提高工作效率：①基準站點設置必須開闊，無明顯障礙物遮擋，電臺功率調到最大，電臺天線盡可能架高；②把流動站GPS 電臺天線架高；③使用電臺中繼站；④架雙基準站工作；⑤開通網絡通訊技術。

4 偽值

在進行RTK 測量時，要求在初始化成功后，解的類型為固定解，而不是浮動解，才能進行測量，這時精度能達到厘米級。盡管很多接收機的初始化可靠性達99.9%或以上，但由于受衛星信號、接收時間、后處理軟件、環境因素等各方面影響，有時在固定解的情況下進行測量，其測量結果經檢核發現，同一個檢測點，在排除一切誤差干擾的情況下，平面位置相差30多厘米，高程相差40多厘米，出現了偽值現象。例如，我院在某水庫輸水工程測量過程中，使用某名牌GPS 接收機進行RTK 測量，第二天檢核重復點發現以上問題，詳見表1。當時檢核點周圍無明顯障礙物，且無干擾源。為查明原因，我們以施工控制網（D 級）中的D10、D12 為起算點，以G73 和G74 為未知點做了一個時段的靜態測量，經內業處理分析后得知，第一天的RTK 數據是錯誤的。進一步檢查外業電子手簿，發現有誤的這些點是在初始化丟失后，又重新初始化成功后測得的。

防止出現偽值的辦法有：①每日開始測量前，復測兩個以上已知點（可以是控制點、圖根點、放樣點等）；②初始化丟失后，應關閉流動站接收機電源后再重新開啟接收機進行初始化，若在未關閉流動站接收機電源的情況下進行新的初始化，在測量前要復測兩個以上已知點；③外業工作時注意高程值的變化，看是否與實際相符，有無異常高程值，因為出現偽值時，高程變化較大；④內業處理時，注意高程變化異常的點，第二天去復測這些點。

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5 結語

GPS-RTK 測量技術的應用，使得測繪外業生產效率和測繪成果的質量有了質的飛躍。合理的分析和解決在使用GPS-RTK 作業過程中出現的問題，將有利于提高測量成果的可信度，做到及時發現、及時解決，提高作業效率和工程質量，更好地為其它專業的工作打好基礎。