GPS—RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用

趙洪巖?顧永智?肖海清

摘 要： RTK技術(shù)又稱載波相位動態(tài)實(shí)時差分技術(shù)，其實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)效率高，可以在作業(yè)現(xiàn)場提供經(jīng)過檢驗(yàn)的測量成果，能夠在滿足精度的前提下，擺脫后處理的負(fù)擔(dān)和外業(yè)返工的困擾，已廣泛應(yīng)用于地形測量、航空攝影測量、地籍測量、房產(chǎn)測量、勘界與撥地測量、工程測量等各個領(lǐng)域。本文主要通過一些實(shí)例體會來探討RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：RTK;工程;應(yīng)用

一、GPS基本情況

GPS是一套利用美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行全天候、全方位的測量定位設(shè)備。根據(jù)GPS提供的坐標(biāo)或坐標(biāo)演變量精度和方式的不同可以分為毫米級，厘米級，靜態(tài)，動態(tài)后處理，RTK（Real Time Kinematic實(shí)時動態(tài)），RTD（Real Time Differnce實(shí)時差分）等幾種設(shè)備分類和測量方式，其中RTK是一種定位精度比較高的載波相位差分GPS技術(shù)。

二、RTK定位方法

RTK定位通常由1臺基準(zhǔn)站接收機(jī)和1臺或多臺流動站接收機(jī)以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娕_組成，在RTK作業(yè)模式下將一些必要的數(shù)據(jù)輸入GPS控制手簿，如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、高程、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)、水準(zhǔn)面擬合參數(shù)等;流動站接收機(jī)在若干個待測點(diǎn)上設(shè)置。基準(zhǔn)站與流動站保持同時跟蹤至少4顆以上的衛(wèi)星，基準(zhǔn)站不斷地對可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測，將接收到的衛(wèi)星信號通過電臺發(fā)送給流動站接收機(jī)，流動站接收機(jī)將采集到的GPS觀測數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站發(fā)送來的信號傳輸?shù)娇刂剖植荆M成差分觀測值，進(jìn)行實(shí)時差分及平差處理，實(shí)時得出本站的坐標(biāo)和高程。

基準(zhǔn)站一般架設(shè)在已知點(diǎn)（平面坐標(biāo)或高程已知）上，點(diǎn)位一般位于測區(qū)中間，視野開闊，周圍無高大的樹木、樓房等建筑物影響，遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁波發(fā)射源和大面積的水面，如果事先沒有確定地心坐標(biāo)（WGS-84）與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，也可以將基準(zhǔn)站架設(shè)在符合上述條件的未知點(diǎn)上。流動站依次設(shè)置在待測點(diǎn)上觀測。基準(zhǔn)站和流動站同時接收衛(wèi)星信號。基準(zhǔn)站通過連接的電臺將測站坐標(biāo)、偽距觀測值、載波相位觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和接收機(jī)工作狀態(tài)發(fā)送給流動站，流動站接收該信息后與衛(wèi)星信息進(jìn)行實(shí)時差分平差處理，實(shí)時得到流動站的三維坐標(biāo)及其觀測精度信息。系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)組合而成，其數(shù)據(jù)傳輸由無線數(shù)據(jù)鏈完成，數(shù)據(jù)鏈采用UHF頻段，具有可靠、穩(wěn)定和抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。

由于GPS-RTK獲得的是WGS-84坐標(biāo)，按城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程規(guī)定必須轉(zhuǎn)換成1980西安坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)爻鞘衅矫孀鴺?biāo)系統(tǒng)相一致。因此要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換參數(shù)所需要的的平面控制點(diǎn)一般需要三個以上采用七參數(shù)方法轉(zhuǎn)換，高程控制點(diǎn)一般四個以上。控制點(diǎn)應(yīng)以能覆蓋整個測區(qū)為原則，最好均勻分布。

求解平面轉(zhuǎn)換參數(shù)，至少要聯(lián)測兩個平面坐標(biāo)點(diǎn)，求解高程轉(zhuǎn)換參數(shù)則需要聯(lián)測三個高程點(diǎn)。為了提高地心坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系數(shù)學(xué)模型的擬合程度，進(jìn)而提高待測點(diǎn)的精度，通常要聯(lián)測盡可能多的已知點(diǎn)，轉(zhuǎn)換參數(shù)的求得通常有兩種方法：①充分利用已有的GPS控制網(wǎng)資料，將多個已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)與相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)輸入電子手簿中，基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上實(shí)地虛擬聯(lián)測，解算出轉(zhuǎn)換參數(shù);②基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)或未知點(diǎn)上，流動站依次測量各已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)，將各已知點(diǎn)所對應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的平面坐標(biāo)和高程輸入手簿中進(jìn)行點(diǎn)校正，淘汰校正殘差比較大的已知點(diǎn)，從而解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

三、RTK的應(yīng)用

（一）RTK在控制測量中的應(yīng)用

在某工業(yè)區(qū)5平方公里1：500地形測量中，由于廠礦工業(yè)區(qū)建筑物密，通視困難，采用RTK的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行測量較為方便。此次測量以工業(yè)廠區(qū)為主，基準(zhǔn)站設(shè)置在測區(qū)的中部、地勢較高的五層樓樓頂，符合基準(zhǔn)站的架設(shè)條件，與已知點(diǎn)的距離在2.0～3.0km之間。聯(lián)測四個D級GPS點(diǎn)和三個三、四等水準(zhǔn)點(diǎn)，采用兩臺雙頻GPS接收機(jī)實(shí)時動態(tài)測量模式，流動站用支撐桿豎直。布點(diǎn)時為了方便測圖使用和便于RTK測量等因素，盡量避開高壓線、高大建筑物及高密樹林等因素對RTK測量的影響。實(shí)在無法回避的地方，采用增加觀測時間、增加觀測次數(shù)的方法以提高觀測精度。由于GPS并不需要點(diǎn)間通視，不必為通視的原因而搬好幾次站，大大減少了測量時間。流動站僅需一次完成，所以減少了人力、財(cái)力。

RTK控制測量時，首先用已知控制點(diǎn)建立投影的局部歸化參數(shù)，儀器將直接記錄坐標(biāo)和高程，查看解算后每個控制點(diǎn)的水平殘差和垂直殘差。本次測量解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，水平殘差最大為±2.5cm，垂直殘差最大為±0.6cm。為了提高待測點(diǎn)的觀測精度，將天線設(shè)置在對點(diǎn)器上，觀測時間大于20秒，采用不同的時間段進(jìn)行兩次觀測取平均值;機(jī)內(nèi)精度指標(biāo)預(yù)設(shè)為點(diǎn)位中誤差±1.5cm，高程中誤差±2.0cm;觀測中，取平面和高程中誤差均小于±1.0cm時進(jìn)行記錄。

RTK點(diǎn)兩次觀測值坐標(biāo)較差最大值為±2.8cm，最小值為0.3cm。考慮到兩次觀測采用了同一基準(zhǔn)站，觀測條件基本相同，可以將其視為同精度雙觀測值的情況，進(jìn)而求得觀測值中誤差和平均值中誤差。觀測值中誤差為±0.9cm，平均值中誤差為±0.6cm（±0.9/√2）。這說明RTK技術(shù)能滿足《城市測量規(guī)范》中最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差（相對于起算點(diǎn)）不大于±5cm的要求。

同時，采用常規(guī)手段對RTK控制點(diǎn)進(jìn)行了四等水準(zhǔn)測量。平差后，每公里高差中誤差為±4.2mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為±6.5mm。在進(jìn)行RTK平面控制測量的同時，利用RTK技術(shù)進(jìn)行了高程測量。兩次RTK高程測量的成果高程較差最大為-4.7cm，最小為0cm.觀測值中誤差為±1.4cm，平均值中誤差為±1.0cm。

四等水準(zhǔn)測量與RTK高程測量成果較差高程較差最大為-4.8cm，最小為-0.1cm，高程較差中誤差為±2.3cm。

如果四等水準(zhǔn)網(wǎng)高程中誤差取±2.0cm，RTK高程測量的中誤差采用其預(yù)設(shè)精度±2.0cm，則利用誤差傳播定律可以得到高程較差理論中誤差為±2.8cm，高程較差允許誤差為±5.6cm。可見求得的高程較差中誤差小于高程較差理論中誤差。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由RTK測量的高程計(jì)算出的相鄰高差受相鄰點(diǎn)間的長度影響較小，高差精度主要與四等水準(zhǔn)測段長度有關(guān)。利用高差較差參照不同精度雙觀測值情況計(jì)算出高差較差單位（每公里）中誤差為±1.89cm。

如果RTK高程測量的中誤差采用其預(yù)設(shè)精度±2.0cm，四等水準(zhǔn)高差中誤差取±1.0cm，得高差較差理論單位中誤差為±3.0cm。顯然，計(jì)算的高差較差單位中誤差小于高差較差理論單位中誤差，證明RTK高程測量能夠滿足《城市測量規(guī)范》對四等水準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求。

（二）RTK在數(shù)字測圖中的應(yīng)用

利用RTK快速定位和實(shí)時得到坐標(biāo)結(jié)果的特點(diǎn)，可以進(jìn)行地形的碎部測量來代替常規(guī)的數(shù)字測圖。以1臺GPS基準(zhǔn)站，另一臺或幾臺移動的GPS接收機(jī)分別開始進(jìn)行碎部點(diǎn)測量。地形點(diǎn)的測量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場地形的實(shí)際情況進(jìn)行測量設(shè)定，在測量管道中心線或道路邊線時可以設(shè)定按距離進(jìn)行采集，距離可以人為設(shè)定;在勻速運(yùn)動測量的過程中，可以設(shè)定按時間采集，時間間隔也可人為設(shè)定。采集完將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為“點(diǎn)號，東坐標(biāo)，北坐標(biāo)，高程”形式，保存到硬盤，使用Cass軟件經(jīng)過成圖處理，生成數(shù)字化地形圖。

地形點(diǎn)的采集可以單人作業(yè)，在建筑區(qū)內(nèi)較為開闊的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)RTK的采點(diǎn)速度相當(dāng)快，由于初始化速度快（小于30s），并且在線運(yùn)動過程中不失鎖，每個碎部點(diǎn)采集時間不超過2s（含點(diǎn)位代碼輸人），因此，采點(diǎn)速度幾乎等于走路的速度，可以充分發(fā)揮RTK快速高精度定位的優(yōu)勢。

也可以在作業(yè)中采用RTK測量模式的優(yōu)勢，準(zhǔn)確快速地建立圖根控制點(diǎn)，在圖根控制點(diǎn)上由全站儀配合電子手簿進(jìn)行碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。該法不像常規(guī)圖根導(dǎo)線測量那么煩瑣，受地形的限制，也不用支儀器設(shè)站，從而減少了因多次設(shè)站帶來的測量累計(jì)誤差，提高了全站儀碎部點(diǎn)采點(diǎn)的點(diǎn)位絕對精度，使地形測量方便快捷，大大提高了地形測量的工作效率。在地形圖、地籍圖等的測量應(yīng)用中，均取得了很好的效果。