GPS RTK工程測(cè)量精度影響因素的探討

王 勉

河南省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南 鄭州 450001

GPS RTK 技術(shù)是GPS 測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)突破，因其直觀快捷、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、點(diǎn)位誤差不累積等優(yōu)點(diǎn)在測(cè)繪生產(chǎn)中得到了普遍的使用。

但是GPS RTK定位精度的影響卻是多方面的，如果工作中忽視了這些影響，測(cè)量結(jié)果的精確度將大打折扣。本文就自己工作中的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，分析影響RTK測(cè)量精度的各種因素，并提出了相應(yīng)的解決措施，以達(dá)到提高工作質(zhì)量的目的。

1 GPS RTK測(cè)量的原理及誤差分析

RTK定位技術(shù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，它是以基準(zhǔn)站為中心，其它流動(dòng)站（又稱(chēng)移動(dòng)站）相對(duì)于基準(zhǔn)站的定位。需要在兩臺(tái)GPS接收機(jī)之間增加一套無(wú)線(xiàn)數(shù)字通訊系統(tǒng)(亦稱(chēng)數(shù)據(jù)鏈)，將兩相對(duì)獨(dú)立的GPS信號(hào)接收系統(tǒng)聯(lián)成有機(jī)的整體。基準(zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)將觀測(cè)信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站，流動(dòng)站將基準(zhǔn)站傳來(lái)的載波觀測(cè)信號(hào)與流動(dòng)站本身的載波信號(hào)進(jìn)行差分處理，解出兩站間的基線(xiàn)值，同時(shí)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)，實(shí)時(shí)得到測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)由以下3部分組成：1）GPS信號(hào)接收系統(tǒng)；2）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)；3）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。所以在GPS RTK定位過(guò)程中，也相應(yīng)存在著三部分誤差。第一部份主要包括GPS衛(wèi)星星數(shù)、衛(wèi)星圖形、大氣狀況、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差、傳播延遲誤差等。這些因素中有些因素用戶(hù)無(wú)法控制，但其中衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差通過(guò)差分技術(shù)可以完成消除，電離層誤差、對(duì)流層誤差、傳播延遲誤差也可以大部分消除，然而其殘余誤差會(huì)隨著流動(dòng)站至基準(zhǔn)站距離的增大而加大。第二部分誤差來(lái)源于RTK系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)鏈、內(nèi)部噪聲、通道延遲軌道誤差、天線(xiàn)相位中心變化、接收機(jī)位置誤差、信號(hào)干擾、多路徑效應(yīng)、天線(xiàn)類(lèi)型和處理軟件。第三部分為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差，包括已知控制點(diǎn)的誤差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差、大地水準(zhǔn)面差距的內(nèi)捕誤差等。這部分誤差要采取嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換模型和高質(zhì)量的起算數(shù)據(jù)，并運(yùn)用檢核的辦法來(lái)驗(yàn)證其精度。

2 控制點(diǎn)內(nèi)在精度對(duì)RTK的影響分析

由于我們?cè)跍y(cè)量中所使用的是北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系，GPS直接測(cè)量出的是WGS-84坐標(biāo)，所以要通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把GPS的觀測(cè)成果變成我們需要的坐標(biāo)。我們的軟件采用的是平面與高程分開(kāi)轉(zhuǎn)換，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用先將GPS測(cè)得成果投影成平面坐標(biāo)，再用已知控制點(diǎn)計(jì)算二維相似變換的四參數(shù)，高程則采用平面擬合或二次曲面擬合模型，利用已知水準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算出該測(cè)區(qū)的待測(cè)點(diǎn)的高程異常，從而求出它們的高程。

為提高測(cè)量?jī)?nèi)在精度必須盡量做到下面幾點(diǎn)：1）控制點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)足夠。一般來(lái)講，平面控制應(yīng)至少3個(gè)，高程控制應(yīng)根據(jù)地形地貌條件，數(shù)量要求會(huì)更多(比如4個(gè)或以上)以確保擬合精度要求；2）控制點(diǎn)的控制范圍和分布的合理性。控制范圍應(yīng)以能夠覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)為原則。分布的合理性主要是指控制點(diǎn)分布的均勻性，要均勻分布于測(cè)區(qū)周?chē)?）控制點(diǎn)本身的精度。控制點(diǎn)本身應(yīng)具有相當(dāng)高的精度，而且控制點(diǎn)應(yīng)具備相互位置關(guān)系精確的WGS84坐標(biāo)和測(cè)區(qū)坐標(biāo)，以確保轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算的正確性。

3 GPS RTK外業(yè)觀測(cè)方法對(duì)精度的影響

3.1 基準(zhǔn)站的影響

工作基準(zhǔn)站架設(shè)的位置不同，GPS RTK的測(cè)量精度也不同。為此，我們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)把基準(zhǔn)站架設(shè)在中間與架設(shè)在一端進(jìn)行對(duì)比，以下數(shù)據(jù)是分別將基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)中央和測(cè)區(qū)一端的GPS RTK觀測(cè)數(shù)據(jù)和坐標(biāo)真值的比較（平面坐標(biāo)為一級(jí)GPS靜態(tài)平差數(shù)據(jù)，高程為四等水準(zhǔn)高程），其中，C為一級(jí)GPS靜態(tài)平差數(shù)據(jù)，各點(diǎn)的位置關(guān)系如下圖：

基準(zhǔn)站的架設(shè)位置不同與靜態(tài)平差數(shù)據(jù)的關(guān)系如下表：

由上表我們可知：將基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)中央，其誤差分布較小且均勻，基準(zhǔn)站架設(shè)在一端，距離基準(zhǔn)站越遠(yuǎn)的地方其誤差也越大。

3.2 移動(dòng)站的影響

對(duì)于RTK移動(dòng)站來(lái)說(shuō)，它是實(shí)時(shí)的差分計(jì)算，也就是說(shuō)，兩臺(tái)接收機(jī)（一臺(tái)基準(zhǔn)站，一臺(tái)移動(dòng)站）同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站通過(guò)其發(fā)射電臺(tái)把所接收的載波相位信號(hào)發(fā)射出去，移動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)也通過(guò)其接收電臺(tái)接收基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào)。在這兩信號(hào)的基礎(chǔ)上，移動(dòng)站上的固化軟件就可以實(shí)現(xiàn)差分計(jì)算，從而精確地定出基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的空間相對(duì)位置關(guān)系。在這一過(guò)程中，由于觀測(cè)條件、信號(hào)源等的影響（包括：受衛(wèi)星狀況限制、受電離層影響、受數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸距離影響、受對(duì)空通視環(huán)境影響），其測(cè)量結(jié)果會(huì)有誤差。我們?cè)诠こ虒?shí)踐中總結(jié)出一些優(yōu)化施測(cè)方法，可以在目前的GPS 技術(shù)水平下彌補(bǔ)RTK 技術(shù)的不足，提高作業(yè)效率：1）基準(zhǔn)站盡量架設(shè)在較高的地方；2）控制點(diǎn)間距離應(yīng)小于RTK 有效作業(yè)半徑的2/ 3 倍；3）在測(cè)區(qū)內(nèi)環(huán)境不良地區(qū)增設(shè)一些控制點(diǎn)；4）通過(guò)下載星歷文件了解測(cè)區(qū)的衛(wèi)星分布情況，盡量避開(kāi)衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)和中午電離層干擾大的時(shí)段；5）在植被茂密等對(duì)空通視受限的測(cè)區(qū)， 通過(guò)采用常規(guī)方法和GPS 技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)流程。

4 RTK 測(cè)量成果的質(zhì)量控制

由上面分析可知，RTK 在實(shí)際測(cè)量中由于內(nèi)在條件和外部因素而影響了測(cè)量的精度。所以為了保證測(cè)量精度， RTK 測(cè)量必須進(jìn)行質(zhì)量控制。根據(jù)在實(shí)際外業(yè)測(cè)量中的工作經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)了控制RTK 質(zhì)量的幾個(gè)方法：

1）校正儀器時(shí)盡量使用高等級(jí)的點(diǎn)，校正之后與已知點(diǎn)檢核比較，縮短基線(xiàn)距離，精確量取儀器高和流動(dòng)站高，選擇最佳的衛(wèi)星分布，減弱多路徑誤差和對(duì)流層延遲誤差的影響；

2）每次測(cè)量之前對(duì)前一天的點(diǎn)進(jìn)行重測(cè)比較。每次初始化成功后， 先重測(cè)1～2個(gè)已測(cè)過(guò)的RTK點(diǎn)，確認(rèn)無(wú)誤后才進(jìn)行RTK測(cè)量；

3）根據(jù)測(cè)區(qū)似大地水準(zhǔn)面變化情況，合理地布設(shè)已知點(diǎn)。根據(jù)不同的測(cè)區(qū)，選取合適的擬合模型，并且應(yīng)對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，以減小因已知點(diǎn)精度低而帶來(lái)的損失；

4）聯(lián)測(cè)的幾何水準(zhǔn)的點(diǎn)位，應(yīng)均勻布設(shè)于測(cè)區(qū)。測(cè)區(qū)周?chē)鷳?yīng)有幾何水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)，由這些已知點(diǎn)連成多邊形，應(yīng)包圍整個(gè)測(cè)區(qū)。擬合GPS RTK計(jì)算高程時(shí)不宜外推。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上幾個(gè)方面的分析，我們可以看出，GPS RTK測(cè)量精度雖然受多個(gè)條件的影響，但通過(guò)采取一些技術(shù)措施和進(jìn)行質(zhì)量控制后，用GPS RTK測(cè)量的精度是完全可以得到保證的，并且成果具有相當(dāng)?shù)木_性，能滿(mǎn)足各種測(cè)量的規(guī)范要求。

[1]石金峰，李新慧，楊培章.RTK技術(shù)及其在控制測(cè)量中的應(yīng)用，2004(6).

[2]張鳳舉，王寶山.GPS定位技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1997.

[3]馬捷.提高GPS RTK測(cè)點(diǎn)精度和可靠性的探討[J].中州煤炭，2003(140).