GPS-RTK測(cè)量CORS模式結(jié)合電臺(tái)模式在地形測(cè)量中的應(yīng)用

羅 衡

（湖南省城市地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南 常德 415000）

1 RTK技術(shù)的概念

GPS-RTK技術(shù)，是指在運(yùn)用GPS（全球定位系統(tǒng)）測(cè)量時(shí)，通過采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real-time kinematic)方法，實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)輸出。在GPS測(cè)量方法中，靜態(tài)、快速靜態(tài)等高精度測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)，并需要事后對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK技術(shù)則能夠在測(cè)量中實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)的定位精度，即能夠?qū)崟r(shí)、快速地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，不需要后期數(shù)據(jù)處理，操作起來十分方便，在各種工程測(cè)量中極大地提高了作業(yè)效率。

2 RTK的工作原理

RTK技術(shù)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站兩個(gè)部分組成。基準(zhǔn)站：在一定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，由一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)分別固定在一個(gè)或幾個(gè)固定測(cè)站上，一直保持連續(xù)觀測(cè)所有可視衛(wèi)星信號(hào)，其余接收機(jī)在這個(gè)測(cè)站的一定范圍內(nèi)流動(dòng)設(shè)站作業(yè)，這些固定測(cè)站就稱為基準(zhǔn)站。流動(dòng)站：在基準(zhǔn)站的一定范圍內(nèi)流動(dòng)作業(yè)的接收機(jī)所設(shè)立的測(cè)站。RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站都在觀測(cè)、接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，與此同時(shí)基準(zhǔn)站將接收到的載波相位信號(hào)或者載波相位差分改正信號(hào)發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分處理，在不到1秒的處理時(shí)間內(nèi)得出厘米級(jí)的定位結(jié)果。在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間傳遞信息模式的不同，可以分為網(wǎng)絡(luò)CORS模式和電臺(tái)模式。

2.1 網(wǎng)絡(luò)CORS模式工作原理

圖1 網(wǎng)絡(luò)CORS工作原理圖

網(wǎng)絡(luò)CORS模式，是根據(jù)需要按一定距離建立常年連續(xù)運(yùn)行的一個(gè)或若干個(gè)固定的已知位置的GPS基準(zhǔn)站，每一個(gè)基準(zhǔn)站都是一個(gè)單基站系統(tǒng)。用戶在野外作業(yè)中，基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)和已知位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出差分?jǐn)?shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，流動(dòng)站在觀測(cè)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)接收到基準(zhǔn)站發(fā)送出來的差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，以便實(shí)時(shí)解算出流動(dòng)站的厘米級(jí)的定位結(jié)果。也就是說，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)播。網(wǎng)絡(luò)CORS模式的出現(xiàn)將RTK技術(shù)推向了一個(gè)新的發(fā)展方向，也是衛(wèi)星定位技術(shù)的重要發(fā)展方向，給測(cè)繪行業(yè)帶來深刻的變革。

2.2 電臺(tái)模式工作原理

電臺(tái)模式，是指在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不良的情況下，固定的GPS基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間無法通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信號(hào)傳輸，而需要作業(yè)人員自行安置1臺(tái)接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，依靠電臺(tái)電磁波傳輸?shù)姆绞絺鬟f信號(hào)。首先基準(zhǔn)站通過對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，將其觀測(cè)值與基準(zhǔn)站測(cè)站坐標(biāo)信息進(jìn)行計(jì)算，得出差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)通過電臺(tái)發(fā)送給流動(dòng)站，與此同時(shí)，流動(dòng)站在接收衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)通過電臺(tái)接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算處理，最終得出所需要的厘米級(jí)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。也就是說，RTK所使用的差分靠電臺(tái)來進(jìn)行傳遞。

圖2 電臺(tái)模式工作原理圖

3 電臺(tái)模式與CORS模式分別野外數(shù)據(jù)采集實(shí)例

以某礦區(qū)地形測(cè)繪為例，測(cè)繪作業(yè)主要包括前期資料收集、控制測(cè)量、野外地形測(cè)量和內(nèi)業(yè)成圖等幾大步驟，其中在野外地形測(cè)量的環(huán)節(jié)中根據(jù)環(huán)境分別采用CORS模式和電臺(tái)模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量。

3.1 前期資料收集

3.1.1 項(xiàng)目測(cè)區(qū)概況

為合理地開發(fā)利用土地資源，進(jìn)一步探明礦區(qū)遠(yuǎn)景儲(chǔ)量，受甲方委托，開展某礦區(qū)采礦權(quán)區(qū)域內(nèi)約4平方公里范圍的1∶2000比例尺地形測(cè)繪工作，為地質(zhì)礦產(chǎn)普查設(shè)計(jì)及規(guī)劃提供地形圖紙資料。測(cè)區(qū)內(nèi)植被茂密，人煙稀少，除有少量房屋和水田外，其余多山地。其中最高海拔為468.1m，最低海拔為85.5m，大部分地區(qū)為成林及灌木叢，部分地區(qū)山勢(shì)陡峻，通行和通視條件困難，給野外測(cè)量工作帶來一定的難度。

3.1.2 項(xiàng)目資料收集

測(cè)區(qū)內(nèi)有甲方提供小比例尺地形地質(zhì)圖作為測(cè)區(qū)控制網(wǎng)選點(diǎn)及工作路線圖的使用依據(jù)，在測(cè)區(qū)附近收集到3個(gè)C級(jí)GPS控制點(diǎn),來源于湖南省2005年大地水準(zhǔn)精華平面控制網(wǎng)，經(jīng)實(shí)地勘察控制點(diǎn)點(diǎn)位保存完好，控制點(diǎn)資料齊全，故以該3點(diǎn)作為起算點(diǎn)建立測(cè)區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)，控制測(cè)區(qū)精度。

3.1.3 主要技術(shù)要求

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，中央子午線為111°00′。37度帶；高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)；地形圖采用GPS-RTK野外數(shù)字成圖，比例尺為1∶2000。

3.2 野外測(cè)量

3.2.1 控制測(cè)量

根據(jù)測(cè)區(qū)情況，首先利用C級(jí)控制點(diǎn)在測(cè)區(qū)布設(shè)6個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)，觀測(cè)采用靜態(tài)定位模式進(jìn)行作業(yè)，控制整個(gè)測(cè)區(qū)范圍，用于圖根控制點(diǎn)加密與GPS-RTK地形測(cè)量。

（1）根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，在布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)綜合考慮到以下因素：一是選在視野較為開闊，周邊無障礙物并便于測(cè)圖使用及儀器安裝操作之處；二是符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，有利于其它測(cè)量手段進(jìn)行擴(kuò)展與聯(lián)測(cè)；三是交通便利于作業(yè)，遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、微波站等)，以利于GPS觀測(cè)的信號(hào)接收，以提高作業(yè)效率；四是易于長(zhǎng)期保存，有利于安全作業(yè)?？刂泣c(diǎn)點(diǎn)位采用混凝土預(yù)制而成，測(cè)量控制點(diǎn)的標(biāo)石為現(xiàn)場(chǎng)澆制，采取不銹鋼測(cè)量十字釘作為固定標(biāo)志，測(cè)量十字釘其露出標(biāo)石上表面的長(zhǎng)度約5mm。同時(shí)在旁邊醒目顯眼處用油漆噴涂點(diǎn)號(hào)。

（2）為了滿足測(cè)圖需求，需在測(cè)區(qū)進(jìn)行圖根控制點(diǎn)的加密測(cè)量，圖根點(diǎn)全部采用臨時(shí)標(biāo)志，布設(shè)在點(diǎn)位易保留的地方，如基礎(chǔ)穩(wěn)定，土質(zhì)堅(jiān)實(shí)的地上，以鐵釘和木樁為主，在泥土地段打入木樁，在水泥路面與基巖地段打入鐵釘并用紅油漆噴涂做好標(biāo)記。圖根點(diǎn)在首級(jí)控制的基礎(chǔ)上采用RTK直接觀測(cè)平面位置和高程，RTK觀測(cè)時(shí)應(yīng)首先采用三腳架進(jìn)行對(duì)中、整平，然后采集圖根點(diǎn)坐標(biāo)，每點(diǎn)觀測(cè)次數(shù)應(yīng)不少于兩次，各測(cè)量的平面坐標(biāo)較差應(yīng)不大于2cm；每點(diǎn)測(cè)量的坐標(biāo)取平均值作為最終結(jié)果。

3.2.2 地形測(cè)圖

本測(cè)區(qū)植被茂密，并且測(cè)區(qū)很大范圍移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差，因此在野外測(cè)量的地形測(cè)圖中分別采用電臺(tái)模式結(jié)合CORS模式，即在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)好的地段采用CORS模式，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差或無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方采用電臺(tái)模式。

（1）CORS模式測(cè)圖作業(yè)：

在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較好地段，通過采用湖南省CORS系統(tǒng)，僅需一臺(tái)雙頻GPS衛(wèi)星定位接收機(jī)來用作流動(dòng)站進(jìn)行測(cè)量工作，無需另行自己架設(shè)基準(zhǔn)站。本項(xiàng)目使用儀器為中海達(dá)V90作為接收機(jī)，其操作流程如下：

①在保證網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的情況下，完成中海達(dá)V90儀器的IP、端口、CORS賬號(hào)及賬號(hào)密碼等設(shè)置。②儀器設(shè)置完成連上后，需在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行坐標(biāo)核對(duì)，檢校無誤后進(jìn)入即可開始測(cè)圖作業(yè)。③如果開機(jī)設(shè)置后長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無法登陸CORS網(wǎng)絡(luò)，可以先關(guān)機(jī)，然后再次連接登陸CORS網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)檢查手機(jī)卡是否欠費(fèi)，如若一直沒有CORS基站信號(hào)，就需要跟CORS控制中心聯(lián)系；

（2）電臺(tái)模式測(cè)圖作業(yè)：

在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋較差地段，需使用兩臺(tái)設(shè)備分別作為基準(zhǔn)站和流動(dòng)站，使用電臺(tái)模式進(jìn)行RTK測(cè)量，本項(xiàng)目作業(yè)中使用兩臺(tái)設(shè)備均為中海達(dá)V90。其中，基準(zhǔn)站的選址時(shí)綜合考慮到以下幾點(diǎn)因素：一是考慮GPS電臺(tái)的覆蓋能力和功率，盡量設(shè)置與地勢(shì)相對(duì)較高的地方，確保電臺(tái)作用最大程度獲取較遠(yuǎn)距離；二是視野比較開闊且注意站間間距；三是遠(yuǎn)離高壓變電。根據(jù)環(huán)境條件將基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上或者未知點(diǎn)上，其具體作業(yè)流程如下：

①架設(shè)基準(zhǔn)站：架好三腳架，把1臺(tái)中海達(dá)V90作為基準(zhǔn)站固定好基座上（如架設(shè)在已知點(diǎn)上，嚴(yán)格的對(duì)中整平），開機(jī)基準(zhǔn)站。②設(shè)置基準(zhǔn)站：使用中海達(dá)V90手薄藍(lán)牙連接基準(zhǔn)站后進(jìn)基準(zhǔn)站設(shè)置工作模式及參數(shù)。③設(shè)置流動(dòng)站：使用另一臺(tái)1臺(tái)中海達(dá)V90手薄設(shè)置成流動(dòng)站及參數(shù)，注意設(shè)置參數(shù)與基準(zhǔn)站一致，并新建工程設(shè)置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系及中央子午線等。④控制點(diǎn)校正：首先使用移動(dòng)站采集控制點(diǎn)的原始坐標(biāo)，然后在手薄里面找到控制點(diǎn)坐標(biāo)庫界面中點(diǎn)擊“添加”控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)和原始坐標(biāo)，求取四參數(shù)一般至少2個(gè)控制點(diǎn)，當(dāng)所有的控制點(diǎn)都輸入完后，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，確定無誤后，點(diǎn)擊“保存”，計(jì)算求取四參數(shù)，計(jì)算出來四參數(shù)以后，檢查一下縮放控制在0.9999到1.00000以內(nèi)，高程最大殘差控制在0.03m以內(nèi)。⑤注意事項(xiàng)：一是在使用電臺(tái)模式期間，避免隨意修改基準(zhǔn)站的電臺(tái)發(fā)射頻道，如要修改發(fā)射頻道，則流動(dòng)站也需要修改與基準(zhǔn)站相應(yīng)的頻道，否則流動(dòng)站將會(huì)無法接收到差分信號(hào)，只能頻道相同才能正常工作；二是架設(shè)基站站的腳架需要踩實(shí)，以防止基準(zhǔn)站在測(cè)量過程中滑動(dòng)，并要專人負(fù)責(zé)看守；三是當(dāng)流動(dòng)站未能收到差分信號(hào)時(shí)，首先檢查基準(zhǔn)站是否已斷電或可能是障礙物影響及流動(dòng)站已超出作業(yè)距離等因素，這時(shí)候要考慮在開闊的地方重新設(shè)置基準(zhǔn)站。

3.3 內(nèi)業(yè)成圖

作業(yè)小組當(dāng)天外業(yè)結(jié)束以后，由作業(yè)員把手薄里的測(cè)量數(shù)據(jù)生成dat格式文件然后傳輸?shù)诫娔X上，繪圖員根據(jù)草圖利用南方CASS成圖軟件進(jìn)行繪圖,并要求每天按時(shí)完成野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)記錄或處理問題，一般這個(gè)工作需要當(dāng)天完成，才能避免遺忘和測(cè)漏，確保成果數(shù)據(jù)不會(huì)造成影響。

3.4 RTK測(cè)圖時(shí)需要注意的問題測(cè)量時(shí)相關(guān)注意事項(xiàng)

在地形圖測(cè)繪時(shí)，若遇到茂密高大的樹木影響，往往可能導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)接收效果差，可以使用加長(zhǎng)測(cè)桿高度的辦法，為了保證測(cè)量精度和測(cè)量效率，需要時(shí)能采用和全站儀常規(guī)測(cè)量相結(jié)合的方式；

在測(cè)量碎部點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，浮動(dòng)解和單點(diǎn)解時(shí)不可采集數(shù)據(jù)，需要等到固定解方可測(cè)量坐標(biāo)；

應(yīng)根據(jù)天氣情況在實(shí)際作業(yè)中對(duì)測(cè)量時(shí)間進(jìn)行合理確定，以保證工作順利開展；

為保證每次測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在作業(yè)開始前、結(jié)束后檢測(cè)已知點(diǎn)，一定要做比測(cè)，從而保證其準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度。

當(dāng)在遮擋物比較嚴(yán)重的影響下（如植被茂密的樹林底下）測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星分布情況較差，RTK可能會(huì)偶爾出現(xiàn)“偽固定”的現(xiàn)象，這種情況下需多測(cè)幾次進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)分析來保證成果精度。

4 CORS模式和電臺(tái)模式特點(diǎn)對(duì)比

結(jié)合測(cè)量實(shí)例以及工作原理，兩種模式特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種模式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)論及建議

綜上分析，電臺(tái)模式和CORS模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)客觀情況來進(jìn)行選擇，比如一般情況下，首先確認(rèn)測(cè)區(qū)是否建有CORS系統(tǒng)，若建有該系統(tǒng)，則再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)情況選擇使用何種模式：網(wǎng)絡(luò)信號(hào)良好處選擇CORS模式，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳或者無網(wǎng)絡(luò)信號(hào)處采用電臺(tái)模式。若測(cè)區(qū)未建立CORS系統(tǒng)，則通過電臺(tái)模式來進(jìn)行RTK測(cè)量。不管是電臺(tái)模式還是CORS模式，都能提供一個(gè)安全、可靠、實(shí)用的數(shù)據(jù)傳輸方法，大大提高了工作效率，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益和較好的經(jīng)濟(jì)效益，隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善與發(fā)展，GPS RTK測(cè)量中將在多個(gè)行業(yè)得到更為廣泛的應(yīng)用。