GPS RTK技術在歙縣開發區圖根控制測量中的應用

【摘要】采用載波相位實時動態差分技術進行定位的RTK技術，能夠在野外獲得厘米級的精度，將其運用于工程放樣、地形（籍）測圖及某些控制測量，可以極大地提高作業效率。本文以歙縣開發區1：500數字化地形圖測量項目為例，將RTK技術應用于圖根控制測量中，分析了RTK在圖根導線控制測量的可行性，闡述了該技術應用于圖根控制測量中遇到的問題并進行了研究，提出了相應對策。

【關鍵詞】GPS RTK；圖根控制測量；基準站；多路徑效應

1. 引言

數字化地形圖測量是一項系統、復雜而艱苦的測繪工作，需要保持較高的精度和現勢性，常規的測量方法有經緯儀、全站儀、測距儀等，其共同的特點是要求測站點必須通視，受測區地形條件限制，并且需要3個以上工作人員，費時費力，效益十分低下。近年來，由于GPS系統逐步發展，以及相應的軟、硬件設備不斷完善，RTK技術其簡單高效的特點被廣泛應用于地形圖測繪、工程放樣、控制測量以及導航等方面，得到了很好的普及和發展。本文將RTK技術應用于地形圖圖根測量中，分析了RTK在圖根控制測量的可行性，并對RTK技術應用于地形圖圖根控制測量中遇到的問題進行了研究，提出了相應對策。

2. RTK工作原理

RTK技術是基于實時載波相位差分的實時動態定位技術。在RTK作業模式下，基準站除了采集衛星數據外，還要通過數據鏈將其觀測值和站點信息一起傳遞給流動站。流動站在采集衛星數據的同時，還要接受來自基準站的數據鏈，并在系統內對采集和接收的兩組數據進行實時載波相位差分處理，得出結果。快速靜態定位模式是在測區中部選擇一個基準站，并安置一臺接收設備連續跟蹤所有可見衛星，另一臺接收機依次到各點流動設站，每個點上觀測數分鐘到十幾分鐘。該模式要求在觀測中，必須有5顆以上衛星可供觀測，同時基準站與流動站相距不超過15Km。快速靜態定位作業方式目前主要適用于控制測量及其加密、工程測量和地籍測量。

3. RTK在圖根控制測量中應用的可行性分析

3.1RTK應用于地形控制測量。

（1）以歙縣開發區的地形控制測量為例，對RTK的測量精度進行了驗證。測區視野較為開闊，無高大建筑，能較好地獲取GPS信號。測區的作業半徑在5KM以內，采用快速靜態RTK模式（即RTK接收機置于基座上，進行嚴密的整平對中，儀器高量三次取平均值，對點的坐標進行10次平滑測量，采集幾組數據記錄手簿，取其平均值）進行測量。為了檢核RTK測量精度，采用了靜態GPS測量與之進行對比。在該區四周共選設了一個基準站（編號為G01）和6個觀測點（編號為G02、G03、G04、G05、G06、G07），采用邊連式將其連接構成GPS網，對RTK與靜態GPS測量結果進行了比較，如表1所示。

（2）GPS靜態技術精度相當高，而且十分可靠。從表1-1可以看出，運用RTK技術獲取的測量成果與之相比，其較差在1～2cm之間。根據控制測量規范要求，I級導線點的點位誤差為 5cm，因此可以得出結論：利用RTK技術可獲得厘米級的精度，其精度完全能滿足I、II級導線控制測量和圖根控制測量的要求，所以利用RTK可以進行圖根導線控制測量。

3.2RTK應用于圖根控制測量。

（1）用RTK布設圖根點， 根據《工程測量規范》圖根點的精度相對于鄰近等級控制點的點位中誤差不應大于圖上0.1mm ；高程的中誤差，不應大于測圖基本等高距的 1/10；結合表1對照檢查結果可以得出，RTK的測量精度完全能夠達到一級導線網的測量。在野外工作中利用儀器腳架基座使水準器嚴密對中整平，RTK儀器置于基座上采集幾組數據記錄手簿，取其平均值，作為最終測量成果。對于圖根點分布在建筑密集區和小巷及林地內應考慮選擇使用全站儀進行點位測量。

（2）結果表明，在地形圖根控制點測量中，郊區，視野開闊，無高大建筑物和樹木的地方，RTK圖根測量的精度在2cm以下，這樣的精度完全滿足測量精度要求，而且省時省力，圖根點的點位精度不會隨測量點位的增多而產生誤差積累，這是常規方法無法比擬的。

4. 問題與對策

實踐表明，RTK技術應用于地籍圖根控制測量能取的很好的效果，獲得很高的經濟效益，在實際生產中扮演越來越重要的角色。但是在一些環境下應用RTK技術會遇到一定的困難，他仍然需要進一步改進和完善。下面就RTK應用過程中出現的問題進行探討，以期對RTK測量實踐提供一些有用的建議與啟示。

4.1坐標系統轉換。RTK測量的結果是WGS-84坐標系下的坐標。流動站位置由于實際的應用需要，一般不使用WGS-84坐標系統，而是通過坐標系轉換得到用戶所需的坐標，如轉換成1954北京坐標系，1980西安坐標系等。轉換模型有三參數、四參數和七參數等。不同的坐標轉換模型對位置誤差影響不同，應根據實測的地形及面積的大小選用不同的轉換模型。

4.2多路徑效應。多路徑效應是RTK定位測量中影響比較大的誤差，它受天線周圍的環境影響，其誤差影響在高反射環境下可達米級，多路徑對偽距測量影響要比載波相位觀測影響大的多。試驗證明，多路徑對P碼測量的最大影響可達10m，并且離地面1～2m的地方多路徑效應最明顯，另外多路徑效應還具有明顯的周期性。為了減少多路徑帶來的定位誤差和信號遮擋影響，建議采取如下措施：

（1）選擇合適的站址，多路徑不僅與衛星方向有關，而且與反射物離測站遠近有關，因此測站應遠離大面積平靜的湖面，不宜在山坡、山谷和盆地中設站觀測，選擇的觀測點應盡量地形開闊、地勢平坦、無高大建筑遮擋物。

（2）采用具有削弱多路徑效應的各種天線，如扼流圈天線。在天線中安置抑徑板會明顯減少多路徑效應的影響。

（3）考慮到多路徑效應的周期性，應選取適當的觀測時段，并將接收機天線架設的盡量高一些，以減少反射信號的影響。

（4）改善GPS接收機的電路設計，以減弱多路徑效應的影響。

4.3天線相位中心變化。天線的機械中心和電子相位中心一般不重合，且電子相位中心是變化的，它與接收信號的頻率、方位角和高度等有關。經研究數據表明，忽視天線相位中心的變化，對點位坐標的誤差影響可達到3cm，最大可達5cm。因此，若要求RTK定位精度達到1cm，就需要知道天線和基站天線的相位圖形，并加以改正。實際工作中，如果使用同一類接收機天線，在相距不遠的兩個或多個觀測站上同步觀測同一組衛星，通過觀測值求差，削弱相位中心偏移的影響。此時各觀測站的天線應按其附有的方位進行定向，可使用羅盤使天線指向磁北極，定向偏差保持3°左右；另外，使用前還應對接收機天線進行檢驗。

4.4RTK作業范圍。RTK技術是實時測量系統，實時地傳輸測量信號使得RTK對距離的遠近提出了一定的要求。本文對觀測站距基準站的遠近對觀測站點位位移量的影響進行了實驗。實驗結果表明，流動站距基準站距離對點位的影響與距離成正比，距離越遠影響越大，可靠性也隨之降低，一般在10Km以內可以滿足地形測量的精度要求。邊長大于15Km的長距離GPS基線向量，只能采取常規靜態測量方式；邊長在10～15Km的GPS基線向量，如果觀測時刻的衛星較多，外部觀測條件較好，可采用快速靜態GPS測量模式；如果在平原開闊地區可嘗試RTK模式。邊長小于5Km的一、二級地籍控制網的基線，優先采用RTK方法，如果設備條件不能滿足要求，可采用快速靜態定位的方法；邊長為5～10Km的三、四等基本控制網的GPS基線向量，優先采用快速靜態GPS測量方法；設備條件許可和外部觀測環境合適時，可以使用RTK測量模式。對于地形控制測量，由于要求精度較高，其基線距離不宜太大，一般不超過5Km，在只有RTK工具的大區域作業模式下，就需要在該區域設置多個參考站，重新設置基準站比較費時。RTK是單基準站，其可靠性比較差，為拓寬RTK的作業范圍，可以嘗試網絡RTK技術，該技術能大大減少距離對測量誤差的影響，降低成本，可靠性好。

4.5初始化問題。實踐證明，接收機能鎖定6顆以上的衛星時可靠性較好。但是當測區處于茂密的樹林、深溝等復雜的環境時，在某些特定的時間段內不能很好地被衛星所覆蓋而出現間隙，RTK接收機就有可能接收不到信號而出現失鎖情況，容易產生假值，這樣采用RTK作業就需要重新初始化，所以如何縮短初始化時間的技術與理論仍然是RTK推廣使用所要解決的重要問題。理論上提高初始化的方法可使用雙頻OTF方法，以及采用單歷元來固定整周模糊度的算法，但該算法可靠性不高，是目前研究的熱點。在實際作業中可采用快速靜態測量模式以減少初始化問題。

5. 結論

本文舉例分析了RTK技術在地形圖根控制測量實踐中所出現的問題并提出了解決的方法。地形測量圖根導線控制點數量大，而且精度要求高，要求作業區內整體精度平衡，常規測量方法要求點間通視，測量時需要多人配合，費時費力，效益較低，使用RTK技術能大大提高作業效率。利用RTK替代全站儀測量圖根控制點，可以大大減少圖根點的數量，具有較大的靈活性，減少了野外作業時間和勞動強度，能獲得較好的經濟效益。

參考文獻

[1]林玉祥 楊華. GPS技術及其在測繪中的應用[M].北京：教育科學出版社，2005.

[2]周中漠.地面網與衛星之間的轉換數學模型[M].北京：測繪出版社，1994.

[3]潘正風 楊正堯 程效軍 成樞 王騰軍.數字測圖原理與方法[M].武漢大學出版社，2004.

[4]徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，2008.

[5]張曉明 高旭光. 淺談GPS-RTK測量技術的應用[J].合肥工業大學學報，2004，27.

[6]張賀 錢林春. GPS RTK在圖根控制測量中的應用[J] .測繪與空間地理信息，2007.