GPS动态差分RTK实时定位技术加密一级控制测量的研究

摘要：从GPS实时动态差分定位原理和测量精度，结合工程应用及精度检验，分析并研究应用RTK实时定位技术加密一级控制测量的可行性及应采取的观测措施。
　　关键词：RTK；加密一级控制测量；OTF法；整周模糊度；应用；精度检验。
　　
　　一、引言
　　RTK（RealTimeKinematic）是指以载波相位为观测值的实时动态差分GPS定位系统，它能够实时观测测点在指定坐标系下的三维坐标成果。目前，双频GPS接收机使用RTK技术，以其速度快、实时，在10km范围内，标称精度可达到厘米级，已广泛应用于地形测量、地籍测量及各种工程测量等碎部点的数据采集及工程放样中。
　　实时动态差分定位是GPS技术发展的一个新突破，它即克服了常规测量要求点间通视，费工费时而且点位精度不均匀，同时又避免了GPS静态及快速静态定位需要进行后处理。如果采取适当的测量措施，使其满足一、二级控制测量精度要求，将大大减轻测量作业的劳动强度，提高作业效率。
　　二、RTK定位及精度因素分析
　　实时动态（RTK）差分定位原理是在基准站上设置GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测。根据基准站的已知三维坐标求出各观测值的校正值（坐标改正数、距离改正数或载波相位），并通过无线电通讯传输设备将校正值实时发送给各流动站，流动站将接收的GPS卫星信号与基准站传来的校正值进行差分计算，从而实时高精度地解算流动站的三维坐标。在RTK测量的作业模式中，OTF法（即onthefly,属运动中解算整周模糊度，即在流动站运动状态通过观测至少5个历元，按一定算法求出整周模糊度之差）已有多种算法，是一种有前途的方法。
　　由于RTK技术是在两台GPS接收机间加一套无线电通讯系统来完成，在流动站完成初始化后，将基准站传送来的载波观测信号和流动站接收到的载波观测信号进行差分处理，实时求解出两点间的基线值，进而由基准站的坐标求得流动站的WGS-84坐标，通过坐标转换，即可实时求得流动站的坐标并给出其点位精度。因此，基准站和流动站的观测质量好坏以及无线电信号传播质量好坏对定位精度影响很大，主要包括卫星星数、大气状况等。
　　在OTF解算未知的模糊值时，至少需要有5颗共同卫星，卫星数越多，解算模糊值时的速度越快，越可靠。研究表明，卫星数增加太多对提高RTK点位精度不显著，但可提高观测成果的可靠性。
　　对流层和电离层都会对GPS信号传播造成影响，基线越长，影响越大。当基线较短时，其影响能够模拟，残差可通过观测值的差分处理得到削弱或消除。
　　环境对RTK影响的主要因素有地形、基准站与流动站之间的障碍物、覆盖物、多路径误差、电波干扰等。
　　观测方案和观测者的操作对RTK结果的质量和可靠性影响也很大，如：基准站位置的选择、校正点的选取、对中误差、天线姿态、观测次数等。
　　三、RTK在加密控制测量中的应用
　　应用实例一：
　　辽宁省阜新市城市加密测量控制网，由阜新市规划设计研究院与辽宁工程技术大学测量工程系共同完成。为满足城市各项建设工程和测绘地形图、地籍图的需要，在城市三、四等GPS控制网下，沿建成区的各主要道路交叉口共布设一级GPS网点174个，控制面积50km2。一级GPS网点使用Trimble5700双频GPS接收机按RTKGPS模式进行观测，RTK标称精度，水平：±（10mm＋1×10-6D）；垂直：±（20mm＋1×10-6D）。
　　基准站选设在较高的楼顶上，避开周围高于基准站的建筑物或构筑物，使基准站的信号能覆盖其控制区域。在城区选择2个基准站，基准站到流动站的距离为4～6km。选择4个（含4个）以上具有水准高程且均匀分布在测区周围的三、四等控制点作为点校正。观测时，流动站天线杆利用快速对中支架，以提高对中精度。观测数据由观测手簿利用传输软件直接传到计算机内，再经分类整理成需要的成果表。
　　对用RTK观测的城市一级GPS点采用以下方法进行了检测：
　　1、复测RTK点的平面坐标
　　在观测城市一级GPS点的同时，对174个RTK点均增加一次多余观测。统计结果：两次独立观测结果最大平面点位较差为33mm，最小为0，按双观测值之差求得观测值中误差为
　　

双观测值之差求得观测值中误差计算公式
　　此值说明RTK观测的内部符合精度良好，观测的稳定性好。
　　2、以四等GPS控制点（静态观测）的平面坐标为可靠值进行检测
　　用RTK复测了19个（抽检比例为11％）四等GPS控制点，以其平面坐标为可靠值检验RTK成果，比较后由平面点位差值△算得RTK相对四等GPS点的平面点位中误差为
　　

相对四等GPS点的平面点位中误差计算公式

　　四等GPS网的最大平面点位中误差MG为±35mm，则RTK相对三等GPS点的平面点位中误差为

三等GPS点的平面点位中误差计算公式
　　
　　以上说明RTK点相对四等GPS点的平面点位中误差很小（仅±6.3mm），而相对三等GPS点的平面点位中误差也仅为±35.6mm。
　　3、用全站仪进行检测
　　使用GTS-6全站仪（标称精度为2″，±（3mm＋2×10-6D）），在有控制点的区域，采用导线测量方法，按一级导线要求，检测了34个（抽检比例为19.5％）RTK点的平面坐标，其平面点位中误差为
　　

平面点位中误差计算公式
　　全站仪精度较高，其检验的结果可视为可靠值，以上数值即可认为是RTK平面点位精度。
　　在没有控制点的区域，用全站仪测距的方法，按Ⅰ级测距精度要求检测RTK两点间边长15条（抽检比例为8.6％），其边长较差的中误差为
　　

边长较差的中误差计算公式
　　同样，以上数值即为RTK的两点间边长的中误差，平均边长D=450m，则边长的相对中误差为
　　应用实例二：
　　中国石油辽阳石油化纤公司厂区1：500数字化地形测量加密控制网，在四等GPS控制网下布设一级导线网,平均边长460m，共计29个点。导线网使用徕卡TC905全站仪（标称精度为2＂，±（2mm＋2×10-6D））进行角度和距离观测，导线网平差采用北京清华山维新技术开发公司《NASEW98》工程测量控制网微机平差软件进行严密平差，并直接打印出平差资料及计算成果。
　　使用拓普康HiPerPro双频GPS接收机，RTK标称精度，水平：±（10mm＋1×10-6D）；垂直：±（20mm＋1×10-6D）,以RTK模式按一级GPS点要求进行复测。基准站选设在视野较开阔的四等GPS点上，尽量避开周围高于基准站的建(构)筑物和各种高频信号源的干扰。为了保证RTK的测量精度和可靠性，测量中采取了如下措施：
　　1、基准站到流动站的距离控制在5km以内；
　　2、选择5个以上具有四等水准高程且均匀分布在测区周围的四等GPS控制点作为点校正；
　　3、流动站采用快速对中支架，以提高对中精度。
　　用GPSRTK复测的一级导线点精度统计如下：
　　平面点位较差：最大为67mm，最小为4mm；高程最大偏差85mm。其中流动站距离基准站2km以内的21个RTK点，平面点位较差：最大为31mm，高程最大偏差40mm。平面点位中误差为22.6mm，高程中误差为13mm。
　　从上述统计结果看，流动站距离基准站5km以内时，个别RTK点的平面精度不能满足一级导线的精度要求，而当流动站与基准站的距离控制在2km以内时，测点精度较高，完全满足一级导线的精度要求。对所有检测点点位误差分析，测点精度随着流动站距离基准站越远，测点点位误差越大，当基线长度接近5km时，测点点位误差在50～67mm之间，不能达到一级GPS点的点位精度要求。
　　应用实例三：
　　柬埔寨王国国家57号公路改扩建勘测工程，是我公司在2007年3月至6月完成的。工程项目位于柬埔寨王国的西北部，起于马德望市5号公路与57号公路交汇处（东经103°12′02″、北纬13°06′22″），终于拜林市柬泰边境（东经102°29′44″、北纬12°55′40″），全长104公里。线路走向为东西方向，为满足测区内投影长度变形不大于2.5cm/km的要求，采用高斯投影任意3°带，中央子午线设为102°57’,参考椭球为Indian60，Y坐标加１００公里的独立坐标系统。测区平均高程为35m。
　　首级控制为D级ＧＰＳ网，共布设31个点，最长边长3.685km，最短边长2.456km，平均边长为3.23km。加密控制为一、二级ＧＰＳ点，共布设357个点。首级控制使用拓普康HiPerPro双频GPS接收机静态观测，高程为四等水准。加密控制使用拓普康HiPerPro双频GPS接收机以RTK模式观测，点校正选取基准站相邻的2个D级ＧＰＳ点，基准站到流动站的距离控制在2km以内。一、二级ＧＰＳ点的检测由中国路桥工程有限责任公司下属的施工单位完成，使用全站仪施测导线的方法将D级ＧＰＳ点间的一、二级ＧＰＳ点连接成附合导线。
　　检测情况统计如下：
　　

ＧＰＳ点连接成附合导线检测表

　　从上表统计结果可以看出，虽然流动站距离基准站的距离在2km以内，部分RTK点的平面点位精度超过了5cm，且有1.7%的点位误差比较大。分析其原因，笔者认为，主要是点校正选取的控制点少，且分布不均匀所致。
　　四、结论
　　为明晰起见，将上述检测情况综合成下表：
　　

测情况综合成表

　　从上述城市、工业厂区、公路线路加密控制测量的三个应用实例可以看出，在满足本文所述实例的要求条件下，应用GPS动态差分RTK实时定位技术加密城市和工业厂区的控制测量，平面点位精度优于±5cm，而对于线路测量工程的加密控制测量，在布设基本控制网时就应考虑控制点边长和点位分布，使用于点校正的控制点数量满足其基本要求，这样，加密控制测量的平面点位精度是可以达到±5cm的要求。应用RTK技术加密控制测量的可行，主要得益于RTK自身定位理论的优良性，并在作业时注意基准站位置的选择、控制流动站到基准站之间的距离、为求转换参数（点校正）而选择具有控制和代表测区范围及高度的数量足够的公共点。这样，RTK完全可以满足在四等网下加密一级及以下控制测量的精度要求，且各点间不存在误差积累。RTK测量与GPS静态测量相比，较易出错，必须进行质量控制，尤其在控制测量中更要进行内部和外部的可靠检验。
　　为了解决RTK测量容易出错的问题，观测中应采取如下措施：
　　1．基准站应架设在高等级控制点上，流动站距离基准站的距离不应超过2km，且应在校正点范围内；
　　2.基准站与流动站应同步锁定5颗以上的卫星，且PDOP值应小于6；
　　3．点校正应选择4个（含4个）以上精度较高、分布均匀的控制点进行，对校正值较差的控制点应舍弃；
　　4．观测前，应在控制器配置项中对测点须达到的精度进行设定；
　　5．GPSRTK控制点应进行两次独立观测；不同测站所测GPSRTK控制点应有重合点；
　　6．流动站应采用快速对中支架对中整平。
　　
　　参考文献：
　　［1］林文介.测绘工程学.华南理工大学出版社.
　　［2］吉长东，等.实时动态差分GPS在城市加密控制测量中的应用及其精度检验.测绘通报，2006，（6）：29-30.
　　
　　

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