千尋位置與RTK技術在電力工程測量中的比較分析

劉 洋，曾群意，郭忠臣，胡茂林，任尚勇，黎 洋

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.宿州學院環境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000)

0 引言

RTK具有操作簡便，測站間無需通視，可實時獲得厘米級三維坐標成果的優勢，是目前電力工程測量中廣泛應用的定位技術[1]。但RTK技術存在服務半徑較小、精度隨流動站與參考站距離的增大而衰減的缺點[2-4]。連續運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)是基于多基站網絡RTK技術由GNSS基準站網、數據處理中心、數據通信鏈路、用戶部分組成，利用區域內構成網絡的多個參考站為用戶實時提供改正信息，從而獲得高精度坐標成果的服務系統，網絡RTK具有服務范圍廣，定位精度與可靠性高的優勢[5-8]。

千尋位置基于北斗衛星導航系統(BDS)基礎定位數據，同時兼容GPS、GLONASS、Galileo衛星導航系統，依靠云計算和大數據技術，為全國范圍用戶提供7×24 h全天候的定位服務。千尋位置擁有超過2200個地基增強站及自主研發的定位算法，主要提供千尋跬步Find m(亞米級)、千尋知寸Find cm(厘米級)和千尋見微Find mm(毫米級)三種高精度定位服務[9-10]。黃永帥[11]等對千尋位置北斗地基增強網絡的RTK與實時動態碼相位差分技術(real time differential，RTD)定位服務性能進行了測試與研究；劉東軍[12]對千尋位置與CORS的測量精度進行了對比分析。本文對千尋位置與常規RTK的觀測數據質量與精度進行對比研究，對理想與不良觀測環境中的電力測量工作提供參考。

1 理想觀測條件下分析

選擇三臺同型號天寶R10接收機，一臺架設在開闊且無電磁干擾的控制點上作為參考站，另外兩臺架設在空曠、受多路徑影響小且相距很近的位置作為流動站。三臺接收機均具備接收 GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS多星座數據功能，流動站中一臺采用常規RTK電臺模式，另一臺采用千尋知寸Find cm服務模式，衛星截止高度角均設置為15°，PDOP限值為6[13-14]。在手簿中進行千尋位置賬戶、IP地址等配置，掛載點(Mount Point)選擇RTCM32_GGB，以便能夠同時接收GPS、GLONASS和BDS三星雙頻數據。對接收機進行預熱和靜置并進行10 min的數據預采集后，使接收機按20 s的時間間隔自動進行RTK測量，共進行了3.1 h的數據采集，在數據采集過程中，網絡狀況良好，千尋位置測量未出現中斷等情況。以各流動站坐標的平均值作為理論值，X、Y、H坐標誤差如圖1所示，水平精度與垂直精度如圖2所示，PDOP值與可見衛星數目如圖3所示，表1與表2分別是定位數據與可見衛星比較。

圖1 理想觀測條件下坐標誤差

圖2 理想觀測條件下水平精度與垂直精度

圖3 理想觀測條件下PDOP值與可見衛星數目

表1 理想觀測條件下千尋位置與常規RTK定位數據比較

表2 理想觀測條件下千尋位置與常規RTK可見衛星比較

從圖1、圖2、圖3及表1分析可以得出，在理想觀測條件下，千尋位置的內符合精度較常規RTK差，在水平精度與垂直精度上，常規RTK的最弱精度與千尋位置的最優精度相當。從表1與表2可以得出，千尋位置的可見衛星數目平均值較常規RTK少7.7顆，GPS、GLONASS、BDS三個星座的可見衛星數目相差較小，由于千尋位置未能接收Galileo衛星數據，其平均值則少5.2顆。可見衛星數目少使千尋位置測量結果的PDOP值更大，定位精度較常規RTK弱。

2 不良觀測條件下分析

為了分析在衛星信號受到遮擋等不良觀測條件下千尋位置的測量精度與性能，采用相同的參考站，兩個流動站架設在衛星信號受到一定程度遮擋的建筑物附近，緊靠在一起但互不影響。衛星截止高度角為15°，PDOP限值為6，采用手簿中的“自動限差”功能，在完成初始化后，當固定解滿足測量精度要求時存儲數據，本文稱之為“限差內固定解”。記錄初始化時間、獲得限差內固定解時間等，如果限差內固定解等待時間超過20 min則不予記錄并重新開始下一次試驗。進行了4.75 h共150次千尋位置與常規RTK的對比試驗，每次試驗均采用“清除衛星跟蹤”操作，保證所采集的各項數據準確可靠。對數據進行分析，發現在常規RTK測量結果中出現一次假固定情況，如表3所示。

表3 不良觀測條件下假固定數據情況

從表3數據可得，在RTK測量中，當水平精度與垂直精度均較優時，測量結果中仍可能存在假固定情況，導致平面和高程方向分別出現2.75 m、4.28 m的粗差。根據《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范》，截止高度角在15°以上的衛星數目為5顆時，當PDOP值介于4～6之間，測量成果可用。因此，在樹木高大的山區、建筑物密集區等不良觀測環境中，當可見衛星被嚴重遮擋時，即便觀測條件滿足規范要求，也應對測量結果加強檢核。

將假固定數據與限差內固定解等待時間超過20 min未存儲坐標的數據剔除后進行分析，X、Y、H的坐標誤差如圖4所示，水平精度與垂直精度如圖5所示，PDOP值與可見衛星數目如圖6所示，表4、表5分別是定位數據與可見衛星比較。

圖4 不良觀測條件下坐標誤差

圖5 不良觀測條件下水平精度與垂直精度

圖6 不良觀測條件下PDOP值與可見衛星數目

表4 不良觀測條件下千尋位置與常規RTK定位數據比較

表5 不良觀測條件下千尋位置與常規RTK可見衛星比較

從圖4、圖5、圖6及表4分析可得，在不良觀測條件下，千尋位置的內符合精度同樣較常規RTK差，在高程方向上的差距較為明顯。在不良觀測條件下，常規RTK的水平精度與垂直精度相對于千尋位置的優勢更明顯，且穩定性更好。

從圖6與表4可以發現，千尋位置的平均可見衛星數目較常規RTK多，這是由于千尋位置的初始化與獲得限差內固定解的時間更長，在限差內固定解獲得時捕獲到了更多的可見衛星，同時也可發現其衛星空間幾何分布并沒有因為可見衛星數目增多而得到明顯的改善，導致PDOP值出現圖6中的跳變。根據《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范》，進行RTK測量時，可見衛星數目不應少于5顆，PDOP值不應超過6。按規范對測量結果中不符合觀測窗口狀態要求的數據進行統計，千尋位置與常規RTK的有效數據占比分別為36.6%、76.0%，可見常規RTK的測量成果具有更高的可利用率。

從表4與表5可以看出，兩種測量方法所觀測到的GPS與GLONASS衛星數目相當。對于BDS衛星，在常規RTK與千尋位置測量結果中均出現較多未被捕獲到的情況，其比例分別為90%、41%，導致可見衛星平均數目分別只有0.5顆與2.5顆。與常規RTK相比，千尋位置由于未能接收Galileo衛星數據，其可見衛星平均數目少1.5顆。

為進一步討論兩種測量方法的初始化與獲得限差內固定解的時間情況，將統計的時間數據進行分析，如圖7和表6所示，圖7中未列出限差內固定解等待時間超過20 min所對應的數據。

表6 初始化與獲得限差內固定解時間

圖7 初始化與獲得限差內固定解時間

從圖7及表6可得，千尋位置的初始化時間最長達37 s，初始化時間平均值較常規RTK長1.4 s，千尋位置與常規RTK獲得限差內固定解的最大時間分別為1046 s、210 s。對千尋位置與常規RTK獲得限差內固定解的時間進行統計，超過1 min的占比分別為10.7%和2.7%，超過2 min的占比分別為8.7%和0.7%，超過20 min仍不能獲得限差內固定解的情況千尋位置占比3.3%。獲得限差內固定解的平均時間千尋位置增加35.3 s，是常規RTK的3.2倍，因此，在不良觀測環境中，常規RTK具有更高的數據采集效率。

3 結論

本文對千尋位置與常規RTK兩種測量方法的定位數據質量與精度、初始化與獲得限差內固定解的時間進行比較分析，得出如下結論：

1)在理想觀測條件下，千尋位置的內符合精度、水平精度與垂直精度較常規RTK差。由于千尋位置未能接收Galileo衛星數據，Galileo可見衛星數目均值較常規RTK少5.2顆，總的平均可見衛星數目少7.7顆；在不良觀測條件下，Galileo可見衛星數目均值較常規RTK少1.5顆?？梢娦l星數目少、衛星空間幾何分布不佳使千尋位置測量結果的PDOP值相對較大。

2)在可見衛星被遮擋的不良觀測環境中，當觀測條件滿足規范要求時，RTK測量結果仍可能存在假固定情況，應采用重新初始化、多次重復觀測等手段加強數據檢核。

3)在不良觀測條件下，千尋位置的內符合精度、水平精度與垂直精度較常規RTK差，且差距較理想觀測條件中的明顯。試驗中，千尋位置與常規RTK在不良觀測條件中的有效測量成果占比分別為36.6%、76.0%，常規RTK的測量成果具有更高的可利用率。

4)在不良觀測條件下，千尋位置的初始化時間與常規RTK的差距較小，但獲得限差內固定解的平均時間是常規RTK的3.2倍，且出現長時間內不能獲得限差內固定解的情況，常規RTK的數據采集效率更高。