RTK航道測量技術及作業步驟研究

何志敏

摘要：本文基于筆者多年從事海洋測繪的相關工作經驗，以RTK技術在海洋測繪中的應用為研究對象，論文重點論述了航道測量的基本作業步驟和轉換參數的求取方法，探討了影響航道測量精度的因素和應該采取的對策，最后提出了筆者的簡介，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：RTK 航道測量 轉換參數 精度

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0021-02

1 實時差分GPS測量技術

RTK測量的基本思想是，在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續地觀測，并將其觀測數據，通過無線電傳輸設備，實時地發送給用戶觀測站。在流動站上，GPS接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線電接收設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示流動站的三維坐標及其精度。

（1）衛星信號接收系統在實時動態定位測量系統中。應至少包含兩臺GPS接收機，分別安置在基準站和流動站上。當基準站同時為多用戶服務時，應采用雙頻GPS接收機，其采樣率與流動站采樣率最高的相一致。（2）數據傳輸系統（數據鏈）。由基準站的數據發射裝置與流動站數據接收裝置組成，它是實現實時動態測量的關鍵性設備。其穩定性依賴于高頻數據傳輸設備的可靠性與抗干擾性。為了保證足夠的數據傳輸距離及信號強度，一般在基準站還需要附加功率放大設備。（3）軟件解算系統。實時動態定位測量的軟件解算系統對于保障實時動態測量結果的精確性與可靠性，具有決定性的作用。

2 轉換參數的求取方法研究

根據RTK的原理，參考站和流動站直接采集的均為WGS84坐標，參考站一般以一個WGS84坐標作為起始值，實時地計算點位誤差并由電臺發射出去，流動站同步接收WGS84坐標并通過電臺來接收參考站的數據，條件滿足后就達到固定解，流動站就可實時得到高精度的相對于參考站的WGS84三維坐標，這樣就保證了參考站與流動站之間的測量精度。如果要附合到已知點上，需要把原坐標系統和現有坐標系統之間的轉換參數求出來。

RTK直接測量的坐標屬于WGS84坐標系，而我們通常使用的是1954年北京坐標系、1980西安坐標系和地方坐標系，所以必須進行坐標系的轉換。由于它們之間并不是一個橢球，如果要求得精確的轉換參數，通常有七參數法和四參數法兩種。轉換參數的求取方法：一是使用已有的靜態數據；二是采取現場采集的方法，通過鍵入一定數量控制點的地方坐標，然后在這些控制點上采集WGS84坐標，通過點校正得到最佳轉換參數，其轉換參數的準確性與控制點的數量及分布有關。四參數和七參數并不是一個概念，四參數是同一橢球不同坐標系之間的轉換參數，表示為△X、△Y、A（旋轉角）、K（尺度比），七參數是兩個不同橢球之間的轉換參數，表示為△x、△y、△z、△α、△β、△γ、△κ，三個平移、三個旋轉和一個尺度參數。四參數和七參數是不能同時使用的，兩者只能選其一，在具體測量時怎么確定這兩種參數是一個關鍵問題。

求取四參數是把WGS84的原始經緯度作為北京54經緯度處理，這樣一來就可以通過采集兩個或兩個以上的北京54已知點來求取。而七參數的求解方法一般是靠控制測量即靜態測量，通過平差軟件進行處理后自動求出七參數，在進行RTK測量時可直接輸入使用。七參數相對于網參數來說，可以認為是更準確、精度更高，有條件的話盡量使用七參數。擬合參數是指高程擬合參數，在需要高精度的正常高高程值時，用RTK測量必須合理地求解高程擬合面，這樣才能滿足一般作業要求。

3 GPSRTK測深技術原理研究

隨著GPS全球定位技術的不斷發展，GPS實時動態測量在實時導航定位方面的應用越來越廣泛。目前GPS定位中應用較多的是DGPS技術，這是一種采用簡單的碼數據（波長300m）相位平滑的技術，定位精度在nm級，水下地形高程則需要通過驗潮確定。對于大比例尺的水下地形測量或作業區遠離陸域不便于驗潮的地方，DGPS技術已難于滿足要求，而GPS實時動態相位差分（RTK）是一種直接應用L1和L2載波（波長分別為19cm和24cm）相位的GPS定位技術，它在三維坐標上可以提供cm級的精度，在水下地形測量中無需通過驗潮確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗潮測深。

假定參考站天線高為h1，參考站的正常高為h2，流動站的天線高為h3，參考站GPS天線處的正常高和大地高分別為h4、h5，流動站GPS天線相位中心的大地高和正常高分別為h6、h7，換能器的瞬間高程為h8，測點高程為h。由圖1中可以看出。

根據GPS差分原理，參考站與流動站間的距離小于30km，可認為下式成立：

則換能器的瞬間高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。換能器的瞬間高程確定后，所測的水底點的高程就很容易求出：h=h8-測深儀所測的深度。

這樣就實現了在水深測量中，無需通過驗潮來確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗潮測深。眾所周知，動吃水發生在垂直方向，在實時動態定位時，該方向上的位移量可通過架設在船體中心上方的GPS天線相位中心的瞬間高程信息獲得，該高程減去GPS天線到換能器的垂距，便是換能器發射面的瞬間高程，而換能器測量的深度正是建立在該高程的基礎上，因而說，船體的動態吃水不用專門去測定，換能器的瞬間高程已經包含了該信息。這是無驗潮測深模式所特有的，也是相對傳統方法測量精度較高的原因所在。

4 航道測量的基本作業步驟

航道測量的作業系統主要由GPS接收機、數字化測深儀、數據通信鏈和便攜式計算機及相關軟件等組成。測量作業分三步來進行，即測前的準備、外業的數據采集測量作業和數據的后處理形成成果輸出。

4.1測前的準備

（1）求轉換參數。

①將GPS基準站架設在已知點A上，設置好參考坐標系、投影參數、差分電文數據格式、發射間隔及最大衛星使用數，關閉轉換參數和七參數，輸入基準站坐標（該點的單點84坐標）后設置為基準站。②將GPS移動站架設在已知點B上，設置好參考坐標系、投影參數、差分電文數據格式、接收間隔，關閉轉換參數和七參數后，求得該點的固定解（84坐標）。③通過A、B兩點的84坐標及當地坐標，求得轉換參數。

（2）建立任務，設置好坐標系、投影、一級變換及圖定義。

（3）作計劃線。如果已經有了測量斷面就要重新布設，但可以根據需要進行加密。

4.2外業的數據采集

（1）架設基準站在求轉換參數時架設的基準點上，且坐標不變。

（2）將GPS接收機、數字化測深儀和便攜機等連接好后，打開電源。設置好記錄設置、定位儀和測深儀接口、接收數據格式、測深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，就可以進行測量工作了。

4.3數據的后處理

數據后處理是指利用相應配套的數據處理軟件對測量數據進行后期處理，形成所需要的測量成果——航道圖及其統計分析報告等，所有測量成果可以通過打印機或繪圖機輸出。

5 影響航道測量精度的幾種因素及相應對策

5.1水下地形點高程的誤差主要來源

（1）儀器誤差：GPS接收機和測深儀精度。（2）轉換誤差：由于實時相位差分得到的是WGS84坐標下的高程，屬于大地高程系統，如工程采用其他高程系統，這就需要把測得的大地高程轉換成相應高程。（3）其他誤差：如動吃水、風浪造成的測深船起伏和搖擺等。由于GPS天線與測深儀換能器之間為一固定值，因此測深船的垂直起伏不會給水下地形測量精度帶來影響，如動吃水、波浪等影響可以消除。

在實際的使用無驗潮方式進行航道測量時，測量結果精度會由于船體的搖擺、采樣速率、同步時差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠遠大于RTK定位誤差，從而成為無驗潮方式航道測量精度提高的瓶頸因素。

5.2船體搖擺姿態的修正

船的姿態可用電磁式姿態儀進行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數，通過專用的測量軟件接入進行修正。

5.3采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時采集的精度和密度。現在大多數GPS-RTK都可以最高輸出率達20Hz，而測深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數據輸出的延遲也各不相同。因此，定位數據的定位時刻和水深數據的測量時刻的時間差造成定位延遲。對于這項誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測量結果計算得到，也可以采用以往的經驗數據。

6 作業時應注意的問題

（1）因為RTK技術的關鍵在于數據處理技術和數據傳輸技術，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據（偽距觀測值，相位觀測值）及已知數據傳輸給流動站接收機。所以：①電臺天線要盡量高。如果距離較遠，則要使用高增益天線；否則將影響到作業距離。②電源電量要充足，否則也將影響到作業距離。（2）設站時要限制最大衛星使用數，一般為8顆。如果太多，則影響作業距離；太少，則影響RTK初始化。（3）如果不是使用七參數，則在設置基準站時要使TransformToWGS84（轉換到WGS84坐標系）處于off（關閉）狀態。（4）如果使用七參數，則△x、△Y、AZ都小于±100較好，否則重求。（5）在求轉換參數前，要使參數轉換和七參數關閉。

參考文獻

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