GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的差異及協(xié)同作業(yè)

許艷博 李 毅 崔醒宇 王名洋

(1.北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

0 引言

20世紀(jì)末，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real Time Kinematic，RTK)，該技術(shù)是在全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)-RTK測量技術(shù)、計算機技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種實時動態(tài)定位新技術(shù)[1-3]，它擴大了覆蓋范圍、降低了作業(yè)成本、縮短了工作時間，彌補了GPS-RTK測量隨著作業(yè)半徑增大而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的致命缺陷，但此技術(shù)依賴通信網(wǎng)絡(luò)，在通信網(wǎng)絡(luò)不佳的狀況下很難保證定位精度與作業(yè)效率，這就需要采用其他的作業(yè)方式進(jìn)行輔助，通常的做法是利用網(wǎng)絡(luò)RTK在收斂精度好的區(qū)域布設(shè)GPS點，在此基礎(chǔ)上利用全站儀引測三級導(dǎo)線來完成后續(xù)放線工作，但此方法效率低下，放線作業(yè)不靈活，經(jīng)常會受到通視條件的制約導(dǎo)致部分樓角角點不能放樣。規(guī)劃監(jiān)督項目一般為幾幢樓或一個小區(qū)，整體覆蓋范圍較小，GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)勢就可以得到很好地發(fā)揮，單基站GPS-RTK架設(shè)靈活，無須通信網(wǎng)絡(luò)，可以利用網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)的GPS點坐標(biāo)計算四參數(shù)、七參數(shù)，實現(xiàn)GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK的快速協(xié)同作業(yè)。

本文闡述了GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的原理及作業(yè)差異，通過公式推導(dǎo)GPS-RTK的點位中誤差，以及實地獲取的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，綜合各方面因素對GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行評價，驗證了GPS-RTK的定位精度可以滿足規(guī)劃放線的規(guī)范要求，為今后使用GPS-RTK進(jìn)行規(guī)劃放線、撥地釘樁等提供技術(shù)支撐。

1 差分技術(shù)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的定位精度受到很多因素的影響，雖然可以建立不同的模型來加以改正或消除，但殘差的影響仍然很嚴(yán)重。為了提高定位的精度，可以通過接收機觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行求差，此方法可以消除基準(zhǔn)站和流動站的相關(guān)誤差，實現(xiàn)高精度的相對定位。差分GPS技術(shù)因此誕生。

差分定位是指使用兩臺以上的GNSS接收機作同步觀測，其最基本情況是使用兩臺GNSS接收機，分別安置在兩個測站上，并同步觀測相同的GNSS衛(wèi)星，由于在同一時刻、同一地域內(nèi)流動站接收機、基準(zhǔn)站對同一衛(wèi)星的距離測量值有著相關(guān)或者相近的誤差。因而，如果基準(zhǔn)站將其接收機對衛(wèi)星的測量誤差通過電波發(fā)送給流動站，那么流動站接收機就可以利用接收到的基準(zhǔn)站接收機的測量誤差來校正其對同一衛(wèi)星的距離觀測值，從而提高其測量與定位精度[4-5]。

2 GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的原理及作業(yè)差異

2.1 GPS-RTK技術(shù)原理

GPS-RTK的基本原理可以表述為：將一臺接收機架設(shè)在已知坐標(biāo)的位置作為基準(zhǔn)站，另外的一臺或多臺接收機作為流動站，基準(zhǔn)站與流動站同時觀測視野內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站將載波觀測值和已知點的坐標(biāo)信息等實時的發(fā)送給流動站[6-7]，流動站接收到信息后通過系統(tǒng)內(nèi)的軟件做差分處理，然后利用與基準(zhǔn)站的空間相關(guān)性得出流動站的精確坐標(biāo),如圖1所示。

圖1 GPS-RTK工作原理

2.2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是連續(xù)運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)產(chǎn)生最重要原因和最主要的應(yīng)用方式之一。在某一區(qū)域內(nèi)建立若干個GNSS參考站,對該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋,聯(lián)合若干參考站數(shù)據(jù)解算或消除電離層、對流層等影響,發(fā)播GNSS改正信息,對該地區(qū)內(nèi)的GNSS用戶進(jìn)行實時載波相位/偽距差分改正的定位方式,稱為網(wǎng)絡(luò)RTK[8-9],如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)RTK工作原理

2.3 GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的作業(yè)差異

GPS-RTK技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的原理不同，所以他們最大的差異就是覆蓋范圍不一樣，后者覆蓋范圍更廣。GPS-RTK覆蓋范圍在10 km以內(nèi)，而且精度隨著距離的增大而降低。在相同基準(zhǔn)站的情況下，GPS-RTK技術(shù)是在作業(yè)半徑內(nèi)，流動站圍繞基準(zhǔn)站工作，各個基準(zhǔn)站相互獨立[10]，而網(wǎng)絡(luò)RTK解算的是多基站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)測量精度不會因為和基準(zhǔn)站距離的增大而變化，差分的范圍還可以向網(wǎng)外延展。網(wǎng)絡(luò)RTK比GPS-RTK定位精度分布更均勻。網(wǎng)絡(luò)RTK可以提供比GPS-RTK更高的可靠性。GPS-RTK是單基站差分?jǐn)?shù)據(jù)，基準(zhǔn)站有任何狀況發(fā)生就將影響流動站。而網(wǎng)絡(luò)RTK則不同，即使有某個基站發(fā)生了意外狀況，系統(tǒng)可以根據(jù)網(wǎng)內(nèi)的其他基站重新解算差分?jǐn)?shù)據(jù)，繼續(xù)為流動站發(fā)送有效信息。系統(tǒng)還可以根據(jù)多余觀測值來剔除個別基站的粗差數(shù)據(jù)，從而大大提高了可靠性。

3 GPS-RTK數(shù)據(jù)精度分析

3.1 GPS-RTK測量距離中誤差

GPS-RTK放樣點間距離S由兩放樣點的坐標(biāo)反算求得,設(shè)有兩相鄰放樣點1、2,根據(jù)兩點間距離公式有

(1)

求全微分得

(2)

由誤差傳播定律得

(3)

對于任意測量點,我們可以假設(shè)mx=my=m,則式(3)可簡化為

(4)

式(1)～(4)中，x1,x2為點坐標(biāo)南北分量；y1、y2為點坐標(biāo)東西分量；S為兩點間距；ms為兩點間距中誤差；mx為南北分量中誤差;my為東西分量中誤差。

(5)

式中,a為固定誤差(mm);b為比例誤差系數(shù)(1×10-6);D為基準(zhǔn)站到流動站的距離(km)。

本次測試選用中海達(dá)iRTK5，RTK的平面標(biāo)稱精度：±(8+1×10-6×D) mm。在規(guī)劃監(jiān)督工程項目中，基準(zhǔn)站與流動站的間距一般小于500 m，我們暫以500 m為例，計算放樣點相對于基準(zhǔn)站的點位中誤差為：

(6)

從以上儀器標(biāo)稱±8.0 mm精度和理論計算，GPS-RTK的測量精度在小范圍內(nèi)可以滿足規(guī)劃放線規(guī)范要求[11]。

3.2 GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK的協(xié)同作業(yè)測試分析

選取一塊比較典型的施工場地作為本次項目的測試實驗的場地，如圖3所示。

圖3 測試實驗場地

現(xiàn)場利用北京GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)三個GPS點K1,K2,K3，并利用具有0.5″測角精度的徠卡Nova TS50全站儀對其進(jìn)行角度和距離的坐標(biāo)歸化。在此基礎(chǔ)上布設(shè)施工導(dǎo)線一條，導(dǎo)線點坐標(biāo)視為真值，用以檢測評估GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK的相對定位精度。B1～B6為導(dǎo)線點，S1～S9為導(dǎo)線點間距，a1～a8為導(dǎo)線夾角。GPS點與導(dǎo)線點布設(shè)情況如圖4所示。

圖4 GPS點與導(dǎo)線點布設(shè)

利用網(wǎng)絡(luò)RTK分別對新布設(shè)的導(dǎo)線點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；GPS-RTK利用坐標(biāo)歸化后的GPS點K1,K3進(jìn)行四參數(shù)轉(zhuǎn)換，四參數(shù)的轉(zhuǎn)換效果主要看旋轉(zhuǎn)和尺度，旋轉(zhuǎn)不能超過1°，尺度大于0.999 9小于1.000 09，完成設(shè)置后對K2點進(jìn)行校核，檢查設(shè)置是否正確和定位精度情況。然后對新布設(shè)的導(dǎo)線點、K1、K3進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

測試坐標(biāo)測試結(jié)果如表1和表2所示，在網(wǎng)絡(luò)RTK信號良好的情況下，GPS-RTK與網(wǎng)絡(luò)RTK的絕對定位精度大致相同。表1和表2中，Y為東西坐標(biāo)，X為南北坐標(biāo)，ΔY，ΔX為較差。

點位的相對關(guān)系如表3和表4所示,《工程測量技術(shù)規(guī)程》DB11/T 339—2016關(guān)于規(guī)劃監(jiān)督放線的規(guī)定：校核限差應(yīng)符合規(guī)劃用地邊長在25 m以下時，撥條件角檢查點位不應(yīng)大于10 mm；實測邊長與條件邊長較差，50 m以下的應(yīng)在±20 mm之內(nèi)。由表3和表4可以看出在小范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，GPS-RTK的測角、測邊穩(wěn)定性優(yōu)于網(wǎng)絡(luò)RTK，GPS-RTK的檢測角與邊長相對誤差滿足規(guī)范要求，在通信網(wǎng)絡(luò)不佳的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以先利用網(wǎng)絡(luò)RTK在信號優(yōu)良的區(qū)域進(jìn)行首級控制點布設(shè)，在此基礎(chǔ)上可以引測導(dǎo)線點至測區(qū)作為GPS-RTK的控制點，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)RTK布設(shè)的控制點距離測區(qū)較近時，GPS-RTK則可以直接利用，參數(shù)轉(zhuǎn)換后即可進(jìn)行定位測量。

表1 網(wǎng)絡(luò)RTK坐標(biāo)測試結(jié)果 單位：m

表2 GPS-RTK坐標(biāo)測試結(jié)果 單位：m

表3 GPS-RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK檢測角較差

表4 GPS-RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK邊長相對誤差 單位：m

表5 校核限差

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展方向，但到目前為止,因為CORS系統(tǒng)的普及情況及通信網(wǎng)絡(luò)的影響，并不能完全取代GPS-RTK測量，GPS-RTK有其自身獨特的優(yōu)勢，它不需要公網(wǎng)，無線電數(shù)據(jù)鏈在短距離通信更加穩(wěn)定。通過本文測試表明，在小范圍內(nèi)進(jìn)行規(guī)劃監(jiān)督放線測量、道路中線測設(shè)、撥地釘樁、條件點串測方面，相比全站儀導(dǎo)線測量效率更高，相比網(wǎng)絡(luò)RTK數(shù)據(jù)，其相對位置更加精準(zhǔn)。在一定區(qū)域內(nèi)，GPS-RTK、網(wǎng)絡(luò)RTK協(xié)同作業(yè)，會大大提高工作效率，降低勞動強度，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

使用GPS-RTK模式需要對GPS手簿進(jìn)行多項設(shè)置，并求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，對操作人員的素質(zhì)要求更高，外業(yè)時還需要注意基準(zhǔn)站盡量選擇在測區(qū)內(nèi)地勢相對較高，且架設(shè)在安全、牢固的地方，避免晃動和其他因素的干擾。一鍵設(shè)置GPS-RTK模式是下一步需要研究的方向。