優化轉換參數對GPS—RTK定位精度提高的實驗分析

王翔 魏長壽

摘 要：本文通過實驗的方式對RTK技術在實施過程中分析轉換參數對于定位精度的影響，通過實驗數據對比，以優化轉換參數的方式，提高RTK定位精度，擬得到RTK技術的定位精度能夠達到小范圍工程測量的精度要求，對在小范圍工程測量中RTK技術的推廣，提高作業效率，有著重要的意義。

關鍵詞：RTK；工程測量；轉換參數；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.124

1 引言

RTK（Real Time Kinematic）實時動態定位技術，是一項以載波相位觀測為基礎的差分GPS測量技術。GPS-RTK技術的優點在于能夠進行實時定位，而且得到精度較高定位的定位成果，可以進行高質量內外業一體化數據處理，設備間無需通視，用途廣泛等特點[1]。

在小區域內RTK測量首先要進行轉換參數的求解，轉換參數的質量好壞將會嚴重影響RTK的測量精度[2]。本文通過實驗的方式對RTK技術在實施過程中分析轉換參數對于定位精度的影響，通過實驗數據對比，以優化轉換參數的方式，提高RTK定位精度，擬得到RTK技術的定位精度能夠達到小范圍工程測量的精度要求，對在小范圍工程測量中RTK技術的推廣，提高作業效率，有著重要的意義。

2 實驗場地設計

首先在試驗場地進行E級GPS靜態定位控制網的布設，基線長度都在1km以內，得到各實驗點的已知坐標，布設控制網型如圖1所示。該實驗場地內有道路、建筑、樹木等地物，環境模擬小區域城市工程測量的實施環境，可根據各個已知點為基礎數據求解不同的轉換參數，為進一步在實驗中分析RTK技術在實施過程中轉換參數對于定位精度的影響提供對比數據。

3 根據已知點求解轉換參數的實驗

GPS-RTK技術在實施的過程中，其實質就是先求解WGS-84坐標系到地方獨立坐標系的轉換參數，再使用該轉換參數將獲得的測點WGS-84坐標換算成地方獨立坐標。因此使用合理的轉換模型，獲取精確的轉換參數才是有效提高RKT定位精度的有效手段。

3.1 參數轉換模型的選擇

參數轉換模型有兩種，一種是七參數模型，利用至少3個已知點來計算轉換參數，會得到一個尺度變化參數（m）、三個平移變化參數（?X0、?Y0、?Z0）、以及三個旋轉參數（εX、εY、εZ ）。另一種是四參數模型，利用至少2個已知點來計算轉換參數，會得到一個尺度變化參數（m）、以及三個旋轉參數（εX、εY、εZ ）。

本文利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個點為已知點，分別7參數轉換模型和4參數轉換模型的方式計算RTK轉換參數，并分別使用兩套轉換參數的RTK方法對KH31-KH38共8個點進行點位數據的獲取，并與KH31-KH38共8個點的已知數據進行比較實驗。實驗結果表明使用7參數模型計算得到的轉換參數進行RTK測量其平面定位精度誤差達到米級，而使用4參數模型計算得到的轉換參數進行RTK測量其平面定位精度誤差很小，都在2cm范圍內；在高程精度方面，兩套轉換參數所得到的定位精度誤差都在2cm范圍以外，由實驗可知在小區域工程測量實施過程中，由于求解轉換參數的已知點所覆蓋的面積非常小，而七參數模型在求解轉換參數的過程中，更多的考慮了地球曲率的影響，反而使結果誤差很大，所以不考慮地球曲率應選用四參數模型求解轉換參數，得到更好的定位精度結果。

3.2 選用相同已知點求解轉換參數對相同點在不同時段進行RTK數據對比的實驗

實驗利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個點為已知點，使用4參數轉換的方式計算RTK轉換參數，并使用RTK的方法對KH31-KH38共8個點分上午、中午、下午三個不同時段進行點位數據的獲取，并與KH31-KH38共8個點的已知數據進行比較。

通過實驗數據對比分析得到，在采用相同已知點計算轉換參數并在上午、中午、下午三個不同時段對相同的點進行觀測時，其觀測結果與已知點相比較誤差也有不同。X、Y兩個平面方向坐標上午、下午兩個時段的實驗數據，各點RTK觀測值與各點已知坐標的較差都很小，幾乎都在10mm以內；而各點中午時段的X、Y兩個平面方向RTK觀測值與各點已知坐標的較差都較大，基本都在10mm以上，通過實驗得到，在使用相同已知點求解轉換參數的情況下，上午和下午的觀測精度要明顯好于中午時段的觀測精度，在中午時段電離層受到太陽黑子的運動的影響是一天中最劇烈的，GPS信號在此時段穿過電離層會受到相對較大的影響，實驗表明在上午和下午進行RTK觀測能夠有效提高平面觀測精度，實驗數據表明觀測誤差在2cm范圍內，能夠達到工程測量的要求。

在高程觀測精度上，通過上述實驗數據得到，三個時段的觀測誤差都較大，通過實驗證明RTK在高程測量方面的精度是難以保證的。

3.3 選用不同已知點求解轉換參數在同時段對相同點進行RTK數據對比的實驗

實驗分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個點為已知點，和利用圖1中KH1、KH2、7三個點為已知點，兩組已知點都使用4參數轉換的方式計算得到兩組RTK轉換參數，分別使用這兩組轉換參數在同時段且使用同一個基準站對KH31-KH38共8個點進行點位數據的獲取，分別與KH31-KH38共8個點的已知數據進行比較。實驗結果如表1所示。

通過上表的實驗數據對比分析可知，在選用不同已知點求解轉換參數在同時段對相同點進行RTK觀測時，其觀測結果與已知點相比較誤差也有不同。從表2中X、Y兩個平面方向坐標使用不同轉換參數的實驗數據可知，在使用KH21、KH22、KH23三點計算轉換參數時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標的較差都很小，幾乎都在10mm以內；而使用KH1、KH2、7三點計算轉換參數時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標的較差都較大，基本都在10mm以上；通過實驗數據可以看出，使用KH21、KH22、KH23三點計算轉換參數時得到的RTK測量值精度更高，實驗數據表明觀測誤差在2cm范圍內，能夠達到工程測量的要求。通過圖1 可以看出，KH21、KH22、KH23三點與KH31-KH38共8個點的距離更為接近，形成的控制網型更為穩固；也與4參數轉換模型的求解過程有關，KH21、KH22、KH23三點所圍成的面積比KH1、KH2、7三點圍成的面積更小，更接近于一個平面，更適合于4參數模型解算出更精確的轉換參數；轉換參數的質量也與已知點的精度有很大關系，KH1點附近有16層的高樓，在數據靜態解算時發現該點的信號接收狀態不甚理想。從實驗結果得知，通過選擇形成更穩固的網型的控制點作為求解轉換參數的已知點，以及選擇更為可靠的已知點求解轉換參數，能夠對轉換參數進行優化，進而有效提高RTK平面測量成果的精度。

在高程觀測精度上，通過上述實驗數據可知，兩套轉換參數的觀測誤差都較大，通過實驗證明RTK在高程測量方面的精度是難以保證的。

3.4 實驗分析轉換參數的精確度與已知點的數量關系

從上個實驗結果可以得出，選擇不同的已知點求解出不同的轉換參數得到的RTK測量結果的精度也是不同的，下面來分析一下轉換參數的精確度與已知點的數量是否存在一定的關系，實驗分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個點為已知點，和利用圖1中KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個點為已知點，兩組已知點都使用4參數轉換的方式計算得到兩組RTK轉換參數，分別使用這兩組轉換參數在同時段且使用同一個基準站對KH31-KH34共4個點進行點位數據的獲取，分別與KH31-KH34共4個點的已知數據進行比較。實驗結果如表2所示。

通過上表的實驗數據對比分析可知，在選用不同數量已知點求解轉換參數在同時段對相同點進行RTK觀測時，其觀測結果與已知點相比較誤差也有不同。從表3中X、Y兩個平面方向坐標使用不同轉換參數的實驗數據可知，在使用KH21、KH22、KH23三個點計算轉換參數時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標的較差都很小，幾乎都在10mm以內；而使用KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個點計算轉換參數時，各點的RTK觀測值與各點已知坐標的較差都較大，基本都在10mm以上；通過實驗數據可以看出，使用KH21、KH22、KH23三點計算轉換參數時得到的RTK測量值精度更高，實驗數據表明觀測誤差在2cm范圍內，能夠達到工程測量的要求。在高程觀測精度上，通過上述實驗數據可知，兩套轉換參數的觀測誤差都較大，所以RTK在高程測量方面的精度是難以保證的。

由實驗結果可知，使用更多的已知點求解轉換參數并不能使RTK測量結果更為精確，根據4參數模型計算原理，若參與計算的已知點多于兩個就會使轉換參數存在殘差，這是由于已知點在WGS-84坐標下所構成的基線長度與這些已知點在獨立坐標系下構成的基線長度不相等造成的，其實質原因是因為已知點的數據可能存在一定誤差，如果把存在誤差的已知點用來計算轉換參數就會造成轉換參數不夠精確，從而影響RTK數據的精度。通過實驗數據可以看出參與計算轉換參數的已知點個數與RTK觀測質量并無直接關系，如果已知點存在誤差還會降低RTK觀測質量。

4 結論與展望

本文通過在常規小區域工程測量實施環境的觀測條件下，分析轉換參數的精確度與已知點的數量關系等實驗得到以下結論：

（1）在常規小區域工程測量實施環境的RTK觀測條件下，選用四參數模型求解轉換參數，得到更好的定位精度結果。

（2）在采用相同已知點計算轉換參數進行觀測時，上午和下午的平面觀測精度要明顯好于中午時段的觀測精度。

（3）在選用不同已知點求解轉換參數在同時段對相同點進行RTK觀測時，選擇形成更穩固的網型的控制點作為求解轉換參數的已知點，以及選擇更為可靠的已知點求解轉換參數，能夠對轉換參數進行優化，進而有效提高RTK平面測量成果的精度。

（4）實驗證明在選用不同數量已知點求解轉換參數在同時段對相同點進行RTK觀測時，參與計算轉換參數的已知點個數與RTK觀測質量并無直接關系，如果已知點存在誤差還會降低RTK觀測質量。

在實驗的過程中求解轉換參數時，手部無法顯示出參與計算轉換參數的已知點是否存在殘差，若能實時獲取已知點計算轉換參數存在的殘差數據，則可對殘差較大的已知點進行剔除，選擇更精確的已知點計算轉換參數，進而實現轉換參數的優化，提高測量精度。

參考文獻：

[1]余小龍，胡學奎.GPS-RTK技術的優缺點及發展前景[J].測繪通報，2007（10）：39-41.

[2]顧勝東，劉長義.淺談GPS-RTK轉換參數對平面精度的影響[J].山西建筑，2008，34（14）：358-359.

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