GPS RTK技術在跨河水準測量中的應用

崔居峰

（淄博市水利勘測設計院，山東 淄博 255000）

在傳統的跨河水準測量中，一般根據跨河距離，選用相應的儀器及布網形式進行觀測。對于距離大于800 m的跨河水準測量，由于垂直角觀測精度要求高，測回數多，經常出現返工。近幾年來，實時動態差分 GPS技術 （即 RTK—Real—Time Kinematic）的出現，給測繪領域帶來翻天覆地的變化。運用RTK GPS系統，在生產實踐中，發現RTK技術在小范圍內的高程測量精度有時可達到三﹑四等水準測量精度。

1 影響RTK高程的主要因素及解決方法

1）電離層延遲﹑對流層延遲的影響。對電離層延遲﹑對流層延遲，科學家們提出了很多的改正模型。實際上，經過模型改正的電離層延遲影響不到2 mm，對流層的影響比電離層的影響大些，經過模型改正的對流層影響大約為幾毫米到幾厘米。鑒于其影響隨著衛星高度角的減少而增大，建議觀測時把高度角小于20°的衛星刪去。

2）衛星中誤差﹑接收機中誤差的影響。衛星中誤差在GPS雙差過程中，已經被消除，接收機中誤差在求差中被大大削弱，對于同一廠生產的接收機，他的影響很小，可忽略不計。

3）多路徑效應的影響。多路徑效益嚴重影響GPS的測量精度，嚴重時還將引起信號的失鎖。他的影響既不能采用求差法來解決，也無法建立改正模型，削弱的唯一辦法是選用較好的天線，合理選擇測站，遠離反射物和干擾源。

4）相位整周模糊度解算的影響。相位整周模糊度解算的正確與否直接影響RTK的實時解算精度，且呈系統特性。解決他的辦法是在觀測時多次初始化，通過采集的數據進行比較鑒別，從而判斷初始化是否可靠。

5）儀器高量取誤差。量儀器高時，從天線互成120°的3個角度上進行重復量取，互差不能超過2 mm，最后取其平均值作為該測站的儀器高。

6）接收機本身的精度指標。該類型接收機的LRK模式的高程精度95%為10 mm+1 ppm。為了減小他的影響，選點時應該控制好各點間的距離，短邊距離最好大于500 m。

7）衛星質量﹑衛星圖形的影響。由于這些影響大多不能令操作者控制，他們對RTK有時解算精度影響較大，所以觀測時最好能進行衛星預報，選擇最佳時段進行觀測。

8）高程異常。在測區內，當各測站高差小于10 m時，他們的高程異常差只有幾毫米，可忽略不計。

2 外業實驗與成果分析

2.1 外業實施原則

用RTK高程的相對高差代替跨河水準試驗，是試圖利用流動站B﹑C﹑D相對基準站A的高程HB﹑HC﹑HD減去基準站的高程 HA獲得 3個直接高差HAB﹑HAC﹑HAD（如圖1）。

圖1 基準站布設圖

同理，在站點B﹑C﹑D擺設基準站，可獲得相應的直接高差 HBA﹑HBC﹑HBD﹑HCA﹑HCB﹑HCD﹑HDA﹑HDB﹑HDC，從而完成了一個測回的觀測。如果把流動站B﹑C﹑D相對基準站 A的高程 HB﹑HC﹑HD，進行相減可獲得 BC﹑CD﹑BD的相對高差，這種高差稱為間接高差，同理也可獲得其他線段的間接高差。這樣，每條線段有2個直接高差和2個間接高差，共4個高差值。再通過三步檢驗：1）4個高差值最大較差不能超出RTK標稱精度 2 倍限差（（±10 mm+1 ppm）×2）；2）經過水準觀測線段的RTK高差與水準值相比不得超出三等水準對檢測已測測段高差的差的要求（R為線段長度，km）；3）多邊形邊長不得超出三等水準對平原地區的要求（L 為閉合環長度，km），從而檢驗觀測值是否可靠。最后再依據平差原理進行相應的平差。

不同長度的跨河水準應根據不同的情況設計布網形式，本次試驗選取淄博市淄川區太河水庫，大壩兩岸距離1 120 m，需布設三等水準網，庫區的兩岸比較開闊，地形較為簡單。

1）布網形式采用四邊形，如圖1。

2）在水庫的兩岸，分別布設短邊水準線路AB﹑CD，并進行嚴格的三等水準觀測。

3）選點時應嚴格按照《全球定位系統（GPS）測量規范》執行，點位應便于安置接收設備，視野開闊，視場內不應有高度角≥15°的成片障礙物；點位距大功率無線電發射源的距離應不小于400 m，距220 kV以上電力線路及大面積水域的距離應不小于50 m。

4）在外業觀測前，應進行衛星預報，以便選擇衛星較好的時段進行觀測。

5）觀測時，各站應進行同步觀測，每次初始化前應刪去高度角≤20°的衛星，但要保證使用衛星有6顆以上（含6顆）。

6）觀測時，注意初始化時間，如果初始化時間較長（第一次初始化時間一般不會超過90 s，重新初始化時間一般只需幾秒到幾十秒），應重新初始化。

7）量儀器高時，應有2人配合操作，從天線互成120°的方向上量取3次，取平均值作為該站的儀器高，互差不得大于2 mm。

8）換站時，各站天線及三角架不動，以便保證儀高量取的正確性。

9）擺站時，衛星天線盡量架高。

10）基準站輸入的三維坐標應逼近真值。

11）采集數字時，采用RTK自動記錄。每擺一個基準站，初始化5次，每次初始化記錄10個數據，共50個數據。

2.2 精度比較及成果分析

本次試驗利用5臺RTK接收機在大橋進行，歷時3 d，成果見表1（為便于比較，表中的高差值均采用絕對值）。

由表1所列的第一次觀測數據可知：HBA﹑HAC最大較差已經超出RTK接收機標稱精度的2倍限差±22 mm（按距離1 km算）。這可能與擺基準站D時，高度角≤20°的衛星未完全刪除等有關，而引起各流動站的高差有一定的偏差。HAD的往返互差為20.4 mm也較大，略低于他的2倍限差。所以認為：這與基準站D設站時有關，該基準站需重新觀測。為了能更進一步檢核其結果，本課題組于次日對全部觀測進行了重新觀測，成果列于表1。

表1 試驗成果表

由第二次的觀測數據比較可知：這次各線段的高差互差值均小于儀器標稱精度的2倍限差。從表1的比較數據可知：兩次觀測的BA﹑DC的往返高差平均值與三等水準值相比均小于三等水準對檢測已測測段高差的差的要求各閉合差也滿足三等水準對環線閉合差的要求：平原（見表2）。因此取第二次測得的往返數據進行平差，結果見表3，按平差后的改正數計算單位權中誤差為±1.83 mm，達到三等精度。

表2 閉合差表

在上述平差結果中，平差結果HDC（47.9 mm）與DC的水準值（45.8 mm）比較僅差 2.1 mm，HBA（212.4 mm）與BA的水準值（217.2 mm）比較僅差4.8 mm。

表3 平差成果

綜上所述：通過采取一系列措施，這次RTK高程相對高差可以達到三等跨河水準精度的要求。

3 結語

通過上述研究與試驗表明：

1）選擇較好的衛星時段，通過不同的布網形式，采取一定的措施，在地形較簡單的地區，RTK相對高差是可以達到三等跨河水準精度要求的。

2）布網時，根據觀測等級及跨河寬度的不同，可采用四邊網或三邊網。

3）采用RTK技術做跨河水準，應在河的兩岸進行相應等級的水準觀測，作為跨河水準的依據。

4）實驗中，由于經驗缺乏，對影響RTK的實時解算精度的部分因素不夠清晰，實施原則需完善。

5）RTK高程相對高差代替跨河水準的有效距離應有最大、最小限制。