全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在實時動態(tài)測量（RTK）中的現(xiàn)況分析

【摘 要】隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的快速發(fā)展，RTK(RealTime Kinematic)測量技術(shù)也日益成熟。RTK技術(shù)，是測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，是測量技術(shù)中的一個新突破，極大地提高了測量工作作業(yè)的效率。本文主要闡述了RTK技術(shù)的含義、工作原理、優(yōu)缺點，還分析了RTK技術(shù)在城市測量中的注意事項。

【關(guān)鍵詞】RTK;GPS;城市測量;定位

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

１．RTK技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展是一個漫長的過程，從上個世紀七十年代由美國率先發(fā)起研制，如今發(fā)展已初具規(guī)模。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)實施三維導(dǎo)航與定位能力和解決大地測量問題的一項空間技術(shù)。隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的快速發(fā)展，RTK(Real-Time Kinematic)測量技術(shù)也日益成熟，測量技術(shù)逐步在測繪中得到應(yīng)用，尤其是在城市各方面測量中的應(yīng)用。RTK測量技術(shù)因其精度高、實時性和高效性，已逐步應(yīng)用于城市圖根測量、工程放樣、碎部測量、地籍測量等諸多方面，并且正在向城市一、二級導(dǎo)線(GPS)控制測量方向拓展，使得其在城市測繪中的應(yīng)用越來越廣。RTK技術(shù)，是測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的結(jié)合，是測量技術(shù)中的一個新突破。常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)等方法都需要事后進行解算才能獲得可使用的坐標數(shù)據(jù)，而RTK是能夠在野外實時得到較高精度數(shù)據(jù)的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分(Real-time kinematic)方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑。它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖以及各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。GPS的出現(xiàn)是測繪行業(yè)的一次革命，而RTK技術(shù)的出現(xiàn)，使得GPS可以更廣泛地應(yīng)用于測繪行業(yè)的各個方面。現(xiàn)在許多城市已在或準備建立城市GPS綜合服務(wù)網(wǎng)，直接為城市測量、交通、公安及氣象等領(lǐng)域服務(wù)。利用GPS綜合網(wǎng)基準站連續(xù)發(fā)布的高精度GPS信息，使得城市GPS用戶能夠快速實時、準確地確定其空間地理信息，屆時，RTK將會更方便、更精確、更靈活、更可靠。隨著RTK技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，它將成為未來城市測量的主導(dǎo)測量模式，開辟城市測量的新理念。

2.RTK技術(shù)所存在的問題

RTK技術(shù)靈活、方便的特點使其在城市測量中有廣闊的應(yīng)用前景，但是由于城市現(xiàn)代通信業(yè)的高度發(fā)達，城市建筑的高大化和裝潢材料的強反射性，市區(qū)道路車流量大且行動緩慢等因素，使得RTK作業(yè)受到一定的影響。主要表現(xiàn)在：受衛(wèi)星狀況的影響，受電離層影響，受數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸距離影響，受對空通視環(huán)境影響，受高程異常問題影響，等等。還有RTK技術(shù)的精度也是一個長期以來為大家所關(guān)注的一個方面。

3.RTK測量的基本原理

RTK 測量模式要求至少兩臺同時工作的GPS接收機。在兩臺套接收機的RTK 測量系統(tǒng)中，其中一臺接收機被指定為基準站，另外一臺為流動站，基準站接收機通常置于一個己知點上，即經(jīng)度、緯度和高度己知的點。基準站系統(tǒng)采集來自可用衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)。該原始數(shù)據(jù)經(jīng)包裝后，由串行端口送往待命的無線電發(fā)射機。發(fā)射機對包裝后的原始數(shù)據(jù)進行廣播。流動站電臺接收基準站發(fā)來的包含基準站接收GPS原始數(shù)據(jù)的信息，電臺將收到的基準原始數(shù)據(jù)經(jīng)由串口轉(zhuǎn)往流動站接收機，與此同時，流動站GPS接收機會在其當(dāng)前位置采集本機的原始數(shù)據(jù)。來自基準站GPS接收機與流動站GPS接收機的原始數(shù)據(jù)匯集在流動站接收機中處理，得出兩個接收機之間精確到亞厘米級的基線向量。最后，流動站接收機利用己知基準站位置和基線向量來計算流動站位置坐標，從而得到用戶所需的三維坐標。

4.RTK技術(shù)的優(yōu)缺點

4.1RTK技術(shù)的優(yōu)點

RTK技術(shù)以其卓越的優(yōu)勢很快地有了自己的市場，其優(yōu)勢就在于：

4.1.1作業(yè)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5km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“搬站”次數(shù)，僅需一人操作，每個放樣點只需要停留1～2s，就可以完成作業(yè)。

4.1.2定位精度高，沒有誤差積累

只要滿足RTK的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)(一般為5km)，RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級，且不存在誤差積累。

4.1.3快速提供三維坐標

通常RTK接收機通過實時處理就能得到厘米級精度的三維坐標。

4.1.4全天候作業(yè)

RTK技術(shù)不要求兩點間滿足光學(xué)通視，只需要滿足“電磁波通視和對空通視的要求”，因此和傳統(tǒng)測量相比，RTK 技術(shù)作業(yè)受限因素少，幾乎可以全天候作業(yè)。

4.1.5 RTK作業(yè)自動化、集成化程度高

RTK可勝任各種測繪外業(yè)。流動站配備高效手持操作手簿，內(nèi)置專業(yè)軟件可自動實現(xiàn)多種測繪功能，減少人為誤差，保證了作業(yè)精度。

4.2 RTK技術(shù)的缺點

4.2.1受衛(wèi)星狀況限制

GPS系統(tǒng)的總體設(shè)計方案是在1973年完成的，受當(dāng)時的技術(shù)限制，總體設(shè)計方案自身存在很多不足。隨著時間的推移和用戶要求的日益提高，GPS衛(wèi)星的空間組成和衛(wèi)星信號強度都不能滿足當(dāng)前的需要，當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋。例如在中、低緯度地區(qū)每天總有兩次盲區(qū)，每次20～30min，盲區(qū)時衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強度低，RTK測量很難得到固定解。同時由于信號強度較弱，在對空遮擋比較嚴重的地方GPS無法正常應(yīng)用。

4.2.2受電離層影響

白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。根據(jù)我們的實際經(jīng)驗，每天中午12～13點，RTK測量很難得到固定解。

4.2.3受數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸距離影響

數(shù)據(jù)鏈電臺信號在傳輸過程中易受外界環(huán)境影響，如高大山體、建筑物和各種高頻信號源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過一定距離時，測量結(jié)果誤差超限，所以RTK的實際作業(yè)有效半徑比其標稱半徑要小，工程實踐和專門研究都證明了這一點。

4.2.4受對空通視環(huán)境影響

在山區(qū)、林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時，GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會較多，信號強度低，衛(wèi)星空間結(jié)構(gòu)差，容易造成失鎖，重新初始化困難甚至無法完成初始化，影響正常作業(yè)。

4.2.5受高程異常問題影響

RTK作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確，但我國現(xiàn)有的高程異常分布圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在較大誤差，在有些地區(qū)還是空白，這就使得將GPS大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得比較困難，精度也不均勻，影響RTK 的高程測量精度。

4.2.6不能達到100%的可靠度

RTK 確定整周模糊度的可靠性為95%～99%，在穩(wěn)定性方面不及全站儀，這是由于RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故[4]。

5.RTK技術(shù)應(yīng)用中的問題及解決方法

RTK技術(shù)在城市測量中有廣闊的應(yīng)用前景，但是由于城市特殊的環(huán)境，存在諸多不利于RTK作業(yè)的因素，諸如強大的無線電網(wǎng)絡(luò)、高大的建筑等。主要有以下幾方面：

5.1參數(shù)的轉(zhuǎn)換。

①為了提高數(shù)據(jù)的可靠性，最好選擇5顆以上的點利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了檢驗轉(zhuǎn)換參數(shù)的精度與正確性，還應(yīng)當(dāng)選用1～2個點不參與轉(zhuǎn)換計算，而直接帶入公式，檢查是否符合精度要求，從而提高數(shù)據(jù)可靠性。

②參數(shù)轉(zhuǎn)換所用已知點點位最好選擇在測區(qū)四周及中心，均勻分布，能有效地控制測區(qū)，盡量減少參數(shù)誤差對測量結(jié)果的影響。

5.2基準站選擇。

RTK定位的數(shù)據(jù)處理過程是基準站和流動站之間的單基線處理過程，基準站和流動站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，無線電的信號傳播質(zhì)量好壞對定位結(jié)果的影響很大。

①一般基準站上空應(yīng)盡可能開闊，在5°～15°高度角以上不能有成片的障礙物。

②在基準站周圍200m的范圍內(nèi)不能有強電磁波干擾源。

③基準站應(yīng)遠離對電磁波信號反射強烈的地形、地物。

5.3 RTK測量形式同常規(guī)測量的支導(dǎo)線測量形式有些類似，為避免出現(xiàn)粗差，在實施中，應(yīng)加強與靜態(tài)GPS點或其他已知控制點的坐標進行比較檢核的同時，還應(yīng)通過對同一點重復(fù)進行RTK觀測來加強結(jié)果檢驗。

5.4由于電臺信號傳播屬于直線傳播，為了基準站和流動站數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶h，基準站應(yīng)該選擇在地勢比較高的測點上。這是很重要的。這樣做，不至于老是搬站。

5.5避免在中午太陽直接照射的高溫環(huán)境下作業(yè)。因為太陽紫外線很強時，對信號傳播影響較大，容易造成觀測結(jié)果的不穩(wěn)定性。

5.6使用RTK和使用靜態(tài)GPS一樣，也要對測區(qū)的衛(wèi)星情況進行預(yù)報，要避開接收機接收不到足夠衛(wèi)星的時間段。這一點也很重要，因為RTK技術(shù)主要就是依靠衛(wèi)星定位的，所以衛(wèi)星數(shù)目一定要盡可能的多。

6.結(jié)語

RTK實時動態(tài)測量技術(shù)是繼GPS全球定位技術(shù)之后，測量領(lǐng)域又一次技術(shù)革命。RTK技術(shù)改變了傳統(tǒng)的測量模式，實時動態(tài)RTK定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已成為目前全球衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用的重要里程碑，它的出現(xiàn)必將更好地服務(wù)于城市測量，為城市測量帶來了新的曙光。 [科]

【參考文獻】

［１］魏二虎，黃勁松．GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2004．

［２］余小龍，胡學(xué)奎．GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)缺點及發(fā)展前景[J]．測繪通報，2007，(10)．

［３］宋秉紅，楊明光．RTK技術(shù)在城市測量中的應(yīng)用[J]．測繪通報，2005，(2)．

［４］嚴小平．GPS-RTK 在城鎮(zhèn)地籍測量中的應(yīng)用分析[J]．城市勘測，2003，(3)．