RTK的精度分析及其在數(shù)字化測圖中的應(yīng)用

張 瑞（沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004）

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RTK的精度分析及其在數(shù)字化測圖中的應(yīng)用

張 瑞
（沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004）

摘 要：GPS-RTK技術(shù)，在今天的測繪工程上是很常見的一種測量技術(shù)，其主要應(yīng)用于控制測量、工程設(shè)計、地形測繪以及建設(shè)放樣等多個工作領(lǐng)域，也是如今發(fā)展較為迅速的一種測量技術(shù)。當(dāng)然，精度是一切測量工作的基礎(chǔ)，所以精度問題是測繪工作的根本問題。本文以實(shí)驗(yàn)的方式，從平面和高程兩個方面進(jìn)行了精度分析，再結(jié)合具體事例詳細(xì)分析了影響RTK測量精度的各種因素，對今后的RTK測量有很好的參考作用。

關(guān)鍵詞：GPS；RTK；測量原理；精度分析；誤差來源

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，GPS技術(shù)就已經(jīng)形成許多成熟的方法，如靜態(tài)測量、快速靜態(tài)測量、準(zhǔn)動態(tài)測量以及動態(tài)測量等諸多測量方法，其中不乏有可以達(dá)到很高精度的測量方法。例如，靜態(tài)測量精度可以達(dá)到厘米級甚至毫米級，但是觀測時間較長，需要記錄觀測數(shù)據(jù)和進(jìn)行事后處理，才能得到觀測的坐標(biāo)。由于RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，所以，定位也會由于遮擋，磁場等原因的干擾，某些時候會導(dǎo)致不可信度的產(chǎn)生，如假值、粗差情況的發(fā)生。因此，研究RTK測值的精度狀況也是十分必要的。

1　RTK定位原理

1.1RTK的組成

RTK由基準(zhǔn)站、流動站、數(shù)據(jù)鏈三部分組成。

1.2RTK定位原理

1.2.1RTK測量原理

RTK系統(tǒng)主要是由一個參考站（即基準(zhǔn)站）、若干個流動站、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)3大部分組成。RTK測量時，基準(zhǔn)站將接收到的所有衛(wèi)星信息及其基準(zhǔn)站信息一起由通訊系統(tǒng)傳送給各個流動站。各流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時還接收基準(zhǔn)站傳送的信息，當(dāng)流動站完成初始化工作后，控制器即可根據(jù)接收到的信息實(shí)時計算并顯示出流動站的點(diǎn)位坐標(biāo)。

1.3RTK測量誤差來源及質(zhì)量控制

1.3.1誤差來源

GPS測量定位的誤差主要來源于GPS衛(wèi)星（星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、相對論效應(yīng)）、衛(wèi)星信號的傳播過程（電離層誤差、對流層誤差、多路徑效應(yīng)）和地面接收設(shè)備（接收機(jī)鐘差、天線相位中心位置的偏差、接收機(jī)不同通道間的延遲誤差）。

1.3.2誤差統(tǒng)計采用的公式

（1）點(diǎn)位誤差（較差）、高程誤差（較差）：

式中：△p、△z分別為比測點(diǎn)的點(diǎn)位誤差（較差）、高程誤差（較差），X、Y、Z分別為比測點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)及高程的原成果，Xc、Yc、Zc分別為比測點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)及高程比測值。

（2）中誤差

式中：

m中為統(tǒng)計項的中誤差；△為統(tǒng)計項的單點(diǎn)誤差（較差）；n為統(tǒng)計項的比測點(diǎn)數(shù)。

（3）均方差

式中：

m均方為統(tǒng)計項的均方差；△為統(tǒng)計項的單點(diǎn)誤差（較差）；n為統(tǒng)計項的比測點(diǎn)數(shù)。

1.3.3質(zhì)量控制

近年來，隨著GPS不斷的發(fā)展，RTK技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在圖根控制、像片控制、施工放樣及帶狀圖測繪等諸多方面，取得了優(yōu)異的成績。但是，RTK測量也受到了諸多因素的影響，因此，必須對RTK測量成果進(jìn)行質(zhì)量控制，以確保實(shí)際觀測的RTK成果的正確性、可靠性。

質(zhì)量控制的幾種方法：

（1）已知點(diǎn)檢核比較法；

（2）重測比較法；

（3）電臺變頻實(shí)時檢測法。

1.4RTK測量中應(yīng)注意的問題

（1）觀測時間

（2）機(jī)內(nèi)精度設(shè)置

（3）測站架設(shè)與觀測要求。

2　數(shù)據(jù)采集

2.1測區(qū)概況

該實(shí)驗(yàn)在阜新遼寧工程技術(shù)的大學(xué)北校區(qū)進(jìn)行，該測區(qū)位于阜新市細(xì)河區(qū)，緯度42°02′35″，經(jīng)度121°39′23″左右，距離阜新市里4km左右（直線距離）。測區(qū)位于阜新市北部，所以地形較為平坦，通視條件良好，通訊方便。

2.2數(shù)據(jù)獲取

（1）獲取校園10個已知控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。已知校園控制點(diǎn)。

（2）用華測GPS-RTK對10個已知校園控制點(diǎn)進(jìn)行測量。首先找到10個校園控制點(diǎn)，在這些點(diǎn)上，嚴(yán)格進(jìn)行RTK點(diǎn)測量，得到控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3　RTK的數(shù)據(jù)精度分析

3.1精度分析

本文實(shí)驗(yàn)所用到的儀器為華測RTK，水平精度8mm+1×10-6；垂直精度15mm+1×10-6。全站儀為拓普康GTS-332N，其測角精度為±2″/5″，測距精度為±2mm+1×10-6。在觀測過程中嚴(yán)格按照相應(yīng)的操作規(guī)程，以儀器的標(biāo)稱精度作為先驗(yàn)精度估值，從而保證所獲得的RTK數(shù)據(jù)能滿足圖根控制精度要求。

3.1.1高程精度分析

通過已知校園控制點(diǎn)水準(zhǔn)高程和GPS-RTK測得的高程進(jìn)行比較分析。從實(shí)驗(yàn)研究角度出發(fā)，可以把三、四等水準(zhǔn)高程視為理論值，來分析10個校園控制點(diǎn)高程誤差。

數(shù)據(jù)分析：

計算這10個點(diǎn)的高程中誤差：

△h的均值為+1.0cm； （1）

高程中誤差：

（1）統(tǒng)計分析

由概率統(tǒng)計知識知道，如果這10個校園控制點(diǎn)觀測值誤差服從正態(tài)分布，其誤差分布應(yīng)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計規(guī)律。根據(jù)這個原則，制作較差統(tǒng)計表，見表1。

從統(tǒng)計表可以看出，實(shí)際百分比與理論百分比差距有一定的差異，因此說明數(shù)據(jù)中可能存在一定的粗差。

（2）粗差檢驗(yàn)

因應(yīng)用RTK過程中可能會出現(xiàn)粗差、不可靠值等影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度的問題，所以數(shù)據(jù)分析的首要任務(wù)是剔除存在粗差的RTK高程觀測值。這里使用了樣本分位值檢驗(yàn)，原理和符號含義查找文獻(xiàn)，直接寫出：

SR是兩側(cè)的粗差檢驗(yàn)統(tǒng)計量，在顯著水平α下的臨界值為S（n，α），當(dāng)SR＞S（n，α）時，就認(rèn)定其是粗差，應(yīng)予以剔除。

通過這種方法檢驗(yàn)可以認(rèn)為這10個校園控制點(diǎn)觀測值的誤差來自于正態(tài)總體的樣本。這10個校園控制點(diǎn)高程真誤差，即△h的均值為1cm，標(biāo)準(zhǔn)差為±0.3cm。

3.1.2平面精度分析

將RTK測得數(shù)據(jù)與已知控制點(diǎn)數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)進(jìn)行比較，得出平面較差表，見表2。

數(shù)據(jù)分析：

計算這10個點(diǎn)的平面坐標(biāo)中誤差：

X坐標(biāo)中誤差：

Y坐標(biāo)中誤差：

3.2結(jié)論

在RTK測量過程中，誤差不累積，高程測量精度因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)近的變化而變化，因此在高程點(diǎn)間的距離較近的情況下高差精度難以達(dá)到等級水準(zhǔn)的測量精度。在測量距離較遠(yuǎn)的情況下（待測點(diǎn)與基準(zhǔn)站距離大于1km），由于路程的增加使得水準(zhǔn)測量的限差擴(kuò)大，能夠提高測量精度，且觀測高程90%可以滿足四等要求。所以，在遠(yuǎn)距離測量中，RTK的測量精度在一定程度內(nèi)可以滿足要求。

通過坐標(biāo)檢驗(yàn)法比較分析，不難看出GPS—RTK測量平面的精度，在嚴(yán)格的操作并無任何因素影響的情況下，完全符合要求。

4　在數(shù)字化測圖中的應(yīng)用

4.1測區(qū)概況

該項目低點(diǎn)是在內(nèi)蒙古通遼市甘旗卡鎮(zhèn)，位于通遼市東南部，地處東經(jīng)121°30′～ 123°42′，北緯42°40′～43°42′之間。該測區(qū)處于平原地帶，地勢平整。由于近年城鎮(zhèn)與耕地變化較大，原有的地形圖不能夠滿足發(fā)展建設(shè)的要求，所以，進(jìn)行重新測繪地形圖是非常有必要的。數(shù)字化測圖為1∶2000地形圖。

表1　RTK高程和控制點(diǎn)高程較差統(tǒng)計表

表2　 控制點(diǎn)平面坐標(biāo)與RTK平面坐標(biāo)比較表

4.2數(shù)字化成圖

（1）數(shù)據(jù)獲取

利用RTK在測區(qū)進(jìn)行碎步點(diǎn)采集。將基站設(shè)在地界開闊之處，然后通過已知控制點(diǎn)進(jìn)行七參解算、點(diǎn)校正。準(zhǔn)備工作做好后，在設(shè)置好基準(zhǔn)站之后，在流動站衛(wèi)星信號較好，且高度角大于15°，有效衛(wèi)星盡可能多的情況下，只需短短幾秒時間，就可得到毫米級的平面定位和厘米級的高程定位精度。

（2）數(shù)據(jù)處理

測量工作結(jié)束后，用電腦直接導(dǎo)出RTK所采集的碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)字化成圖的編輯。對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、坐標(biāo)變換并且生成“dat”格式文件，用來進(jìn)行CASS成圖。

（3）圖形生成

通過CASS中執(zhí)行處理好的“.DAT”文件，執(zhí)行下拉菜單“繪圖處理/定顯示區(qū)”確定繪圖區(qū)域；執(zhí)行下拉菜單“繪圖處理/展野外測點(diǎn)點(diǎn)位”，并且輸入比例尺1∶2000。數(shù)字化成圖必須按一定的順序進(jìn)行，對明顯的具有分塊作用的地物先輸入。然后依元素的主次進(jìn)行分塊作業(yè)。對規(guī)則的地物，保證圖形符合其投影規(guī)律，必要時運(yùn)用輔助線方法以得到正確圖形。

結(jié)論

本文在介紹RTK技術(shù)測量原理的同時，分析了RTK測量精度的問題，本文具體的研究工作如下：

（1）介紹了RTK的組成以及原理。并分析了GPS-RTK定位的主要誤差來源和在測量時的注意事項；

（2）根據(jù)RTK的實(shí)用性，簡單的介紹了其在各個方面的應(yīng)用和質(zhì)量控制問題；

（3）通過實(shí)驗(yàn)，對華測RTK的精度進(jìn)行了分析、提出結(jié)論。并將本次試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，應(yīng)用到實(shí)例中去，在實(shí)踐中驗(yàn)證了RTK所達(dá)到的精度。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TU198

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A