RTK在城市工程測量中的應(yīng)用研究

摘 要：本文基于筆者多年從事城市工程測量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以廣州城市工程測量任務(wù)為工程背景，探討了基于RTK工程測量與精度分析評價(jià)方法，全文是筆者長期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：CORS系統(tǒng) RTK作業(yè) 質(zhì)量控制 精度分析

中圖分類號：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0060-02

目前，實(shí)時(shí)動態(tài)測量技術(shù)（RealTime Kinematic，簡稱RTK）以其實(shí)時(shí)、高效、不受通視條件限制等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工程控制測量、像片控制測量、施工放樣測量及地形碎部測量等諸多方面，倍受用戶青睞。但是，相對于GPS靜態(tài)測量，RTK的實(shí)時(shí)性也給測量人員提出了更高的要求。因?yàn)镽TK測量缺少必要的檢核條件，作業(yè)時(shí)如果操作失誤或某些技術(shù)問題處理不當(dāng)，都將會給測量成果帶來嚴(yán)重影響。因此，及時(shí)了解RTK的技術(shù)特點(diǎn)及提高RTK測量成果精度的關(guān)鍵技術(shù)，對RTK測量將大有裨益。

1 RTK的原理

RTK是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測量，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的厘米級精度的三維定位結(jié)果。RTK測量系統(tǒng)通常由3部分組成，即GPS信號接收部分（GPS接收機(jī)及天線）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸部分（數(shù)據(jù)鏈，俗稱電臺）和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分（GPS控制器及其隨機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件）。

RTK測量是根據(jù)GPS的相對定位理論，將一臺接收機(jī)設(shè)置在已知點(diǎn)上（基準(zhǔn)站）；另一臺或幾臺接收機(jī)放在待測點(diǎn)上（移動站），同步采集相同衛(wèi)星的信號。基準(zhǔn)站在接收GPS信號并進(jìn)行載波相位測量的同時(shí)，通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和測站坐標(biāo)信息一起傳送給移動站；移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，然后利用GPS控制器內(nèi)置的隨機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件與本機(jī)采集的GPS觀測數(shù)據(jù)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)給出待測點(diǎn)的坐標(biāo)、高程及實(shí)測精度，并將實(shí)測精度與預(yù)設(shè)精度指標(biāo)進(jìn)行比較，一旦實(shí)測精度符合要求，手簿將提示測量人員記錄該點(diǎn)的三維坐標(biāo)及其精度。作業(yè)時(shí)，移動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動狀態(tài)；可在已知點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)行動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持4顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則移動站可隨時(shí)給出待測點(diǎn)的厘米級的三維坐標(biāo)。

2 RTK的特點(diǎn)

2.1 RTK的誤差

RTK測量的誤差同GPS靜態(tài)定位的誤差類似，一般可分為兩類，即同測站有關(guān)的誤差和同距離有關(guān)的誤差。

同測站有關(guān)的誤差包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號干擾和氣象因素影響等。其中多徑誤差是RTK定位測量中最嚴(yán)重的誤差。多徑誤差主要取決于GPS接收機(jī)天線周圍的環(huán)境，若天線周圍有高大建筑物或大面積水面時(shí)，將對電磁波有強(qiáng)反射作用。即天線接收的信號不但有直接從衛(wèi)星發(fā)射的信號，還有從反射體反射的電磁波，這兩種信號疊加作為觀測量，將對定位產(chǎn)生誤差。通常情況下，多徑誤差為1～5 cm，高反射環(huán)境下可達(dá)10 cm以上，且多徑誤差的大小常以5～20 min的周期性變化，這對RTK測量將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

同距離有關(guān)的誤差包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。目前軌道誤差只有幾米，其殘余的相對誤差約為1×10-6D，對長度小于10 km的基線而言，其影響可忽略不計(jì)。電離層誤差同太陽黑子活動密切相關(guān)，一般情況下，其影響小于5×10-6D，而當(dāng)太陽黑子爆發(fā)時(shí)，影響值可達(dá)50×10-6D。對流層誤差同點(diǎn)間距離和高差有關(guān)，一般影響在3×10-6D以內(nèi)。

對于同測站有關(guān)的誤差可通過各種校正方法和有效措施予以削弱，而同距離有關(guān)的誤差將隨移動站至基準(zhǔn)站的距離增大而加大。因此，在進(jìn)行RTK測量時(shí)，除采取有效措施削弱測量誤差外，還要對作業(yè)半徑加以限制。

2.2 整周模糊值

研究表明，確定整周模糊值（即初始化）的時(shí)間和可靠性，是RTK系統(tǒng)能否實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確定位的關(guān)鍵。

在正常條件下，地面兩點(diǎn)間距離較短時(shí)，系統(tǒng)能夠模擬電離層和對流層的影響，其殘余影響也可通過對觀測值的差分處理予以消除或減弱。但電離層的電子含量會隨時(shí)空發(fā)生劇烈變化，衛(wèi)星信號到達(dá)基準(zhǔn)站和移動站將有不同的影響，且基線越長，影響越大，當(dāng)電離層劇烈活動時(shí)，將導(dǎo)致周跳或失鎖，即使是短基線也需要大大延長觀測時(shí)間才能固定整周模糊值，嚴(yán)重時(shí)（如太陽黑子爆發(fā)時(shí)）甚至根本不能固定整周模糊值。

實(shí)踐證明，確定整周模糊值的時(shí)間和可靠性取決于4個(gè)因素，即接收機(jī)類型（單頻或雙頻）、所觀測衛(wèi)星的個(gè)數(shù)、移動站至基準(zhǔn)站的距離及RTK軟件質(zhì)量。一般地，雙頻RTK初始化的時(shí)間比單頻RTK要短，而且同距離的關(guān)系不大；解算時(shí)采用的星數(shù)越多，RTK的精確性和可靠性越好；移動站至基準(zhǔn)站的距離越近，其初始化的時(shí)間也越短。

2.3 數(shù)據(jù)鏈

RTK測量時(shí)，移動站需要實(shí)時(shí)地接收基準(zhǔn)站播發(fā)的差分信號（觀測值及相關(guān)數(shù)據(jù)），才能求定待定點(diǎn)的位置。因此，能否連續(xù)地、可靠地接收基準(zhǔn)站播放的信號，是RTK能否成功的決定因素，也是制約RTK測程的關(guān)鍵因素。

目前，RTK系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸多采用超高頻（UHF）、甚高頻（VHF）和高頻（HF）播發(fā)差分信號。在測繪領(lǐng)域的RTK應(yīng)用中，無論單頻或雙頻RTK系統(tǒng)，當(dāng)前國際上都采用UHF電臺播發(fā)差分信號，其頻率大約為450～470 MHz，波長約60 cm左右。根據(jù)電磁波理論，它的傳輸屬于一種視距傳輸（準(zhǔn)光學(xué)通視），其最大的傳輸距離是由接收天線的高度、地球曲率半徑以及大氣折射等因素決定的。因此，在沙漠、戈壁、平原、海域等地區(qū)，其RTK定位的效果比較好；而在城區(qū)、山地、森林等地區(qū)進(jìn)行RTK測量時(shí)，其成果質(zhì)量及作業(yè)效率將受到一定影響，甚至無法進(jìn)行作業(yè)。

2.4 坐標(biāo)系統(tǒng)

RTK與GPS靜態(tài)測量一樣，GPS接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，首先得到的是地心坐標(biāo)系（WGS84）坐標(biāo)，而在測繪工程中應(yīng)用的通常是地方坐標(biāo)系的平面直角坐標(biāo)（1990年西安坐標(biāo)系、1964年北京坐標(biāo)系或地方獨(dú)立坐標(biāo)系等），其高程一般為正常高。因此，為了把MGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)系坐標(biāo)，作業(yè)前首先要根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系式求解兩種坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 RTK工程測量成果

3.1 工程概況

測區(qū)位于廣州市市某開發(fā)區(qū)，地勢總體呈現(xiàn)南高北低、東高西低。標(biāo)高450～850 m左右，最大相對高差350 m。中部地區(qū)為平原，由南向北傾斜。標(biāo)高750～810 m，相對高差僅70～80 m，坡降2.5‰～3.0‰，地勢較平坦。

3.2 測量實(shí)施

在本次工程測量中，使用中海達(dá)公司生產(chǎn)的9900E動態(tài)GPS接收機(jī)共施了工程點(diǎn)86個(gè)。為了檢驗(yàn)RTK工程點(diǎn)的實(shí)際所能達(dá)到的精度，RTK測量結(jié)束后，應(yīng)用電子全站儀對部分相互通視工程點(diǎn)間的相對關(guān)系進(jìn)行了實(shí)地檢查，對平面和高程分別進(jìn)行了三個(gè)測回觀測。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)與RTK測量數(shù)據(jù)的較差和中誤差計(jì)算公式±[dd]/2n，可算得相鄰工程點(diǎn)間的邊長中誤差，高差中誤差。在多方向測站，重新推算其他相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)與RTK測量數(shù)據(jù)的較差，可算得工程點(diǎn)相對于相鄰點(diǎn)點(diǎn)位中誤差和高差中誤差與地形測量中地物點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，以及相對于相鄰點(diǎn)點(diǎn)位中誤差之間的關(guān)系。可以推導(dǎo)出RTK工程點(diǎn)點(diǎn)位中誤差和相鄰點(diǎn)位中物差基本相等，因此可以推算工程點(diǎn)點(diǎn)位中誤差、高程中誤差。經(jīng)檢查，RTK實(shí)測精度完全可以達(dá)到預(yù)設(shè)精度指標(biāo)。

3.3 平面、高程系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)平面采用1954年北京坐標(biāo)，高斯3°帶投影，帶號為39，中央子午線為東經(jīng)117°，高程系采用1985年黃海高程基準(zhǔn)。

3.4 勘查工程點(diǎn)測量的技術(shù)指標(biāo)

勘查工程點(diǎn)測量的技術(shù)指標(biāo)見表1。

3.5 布設(shè)與定測

使用中海達(dá)公司生產(chǎn)的9900E動態(tài)GPS，作業(yè)前對接收機(jī)進(jìn)行了下列檢驗(yàn)。

（1）一般檢視；（2）通電檢驗(yàn)；（3）試測檢驗(yàn)。

在觀測前基準(zhǔn)站接收機(jī)必須嚴(yán)格整平對中，檢查接收機(jī)是否在工作狀態(tài)。儀器天線高從三個(gè)方位測量三次取平均值，對于基準(zhǔn)站的設(shè)置必須檢察無誤后開始進(jìn)行點(diǎn)位校正，校正后確認(rèn)無誤，開始按設(shè)計(jì)坐標(biāo)布設(shè)勘探點(diǎn)。鉆孔定測必須對中孔口標(biāo)石，儀器嚴(yán)格對中整平，方可采集鉆孔坐標(biāo)。

工程測量成果見表2。

野外實(shí)際已知點(diǎn)檢核值為：△X<5 cm、△Y<5 cm、△H<5 cm。均附合有關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，采集數(shù)據(jù)可靠，可供本次勘探使用。

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