GPSRTK技术在工程测量中的应用

GPSRTK技术在工程测量中的应用杨福秋张月珍李尚才（山东省国土测绘院山东济南）摘要：简要介绍了GPSRTK技术的原理，结合其在工程测量中的应用，对RTK技术的优缺点及影响RTK精度的因素进行了分析并提出了相应的应对措施。关键词：GPSRTK；精度；应对措施1GPS原理全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过10多年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管理、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。GPS系统的特点，相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1×10-6，在大于1000km的基线上可达1×10－8。②测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。③观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20min左右，动态相对定位仅需几秒钟。④仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。⑤全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，来确定待测点的位置。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得高精度的结果，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real-timekinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在固定整周未知数以后（得到固定解），只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形（如图2-1），则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTK系统可应用于两项主要测量任务，即测点定位和测设放样。在基准站和流动站协同工作的情况下，用户携带流动站系统，在测区往来行走，对特征点进行采点测量。任何性质的点都可做定位测量，如道路的中线、池塘的周边、路灯杆位和建筑物拐角等。测点可以是原有的境界标记，也可是需要首次定位的新标记。这一功能使RTK最适合于在测图和放样中应用。RTK系统可用于地形测量、面积测量和建筑测量，也可以用于测量料场及土石方工程量计算。测设放样任务只能在GPS的RTK操作模式下完成。某一物体的放样包括对定义该物体所在位置的一点或多点的定位。取得某一点的坐标后，用户需要在地面上找到与该坐标对应的确切位置。传统的做法是，全站仪测定持杆员的当前位置，并指挥其行进一定的距离后最终到达正确的位置。而RTK流动站操作员行进中则可观察掌上电脑屏幕来确定自己的当前位置。掌上电脑存有目标点的坐标。由于RTK系统已知其当前位置和要寻找的目标点位置，系统可给用户导向到正确位置。这一功能使得RTK成为非常有效的放样工具。任何物体都可由RTK来测设放样，如道路、输电线路、油气管线、DTM及地下管线等等。在大多数这类测量中，RTK系统比传统全站仪系统的效率要高很多，而且只需单人操作。在博兴县地形测量中，运用了RTK技术进行图根控制测量，探索了一条进行大面积图根控制测量的新路子。现将工作情况介绍如下：2工程概况山东省博兴县建设局为满足城市规划及市政工程建设需要，施测了1：1000及1：5000地形图各60km2。博兴县位于鲁北平原黄河下游南岸，地处黄河三角洲腹地，隶属于山东省滨州市。测区位于东经118°07′，北纬37°08′，地势平坦，平均海拔约8.0米。测区内房屋稠密，野外人工沟渠星罗棋布，若用传统的测量方法，效率低且浪费人力、财力。经过论证，决定用GPS静态定位技术进行首级控制和一级GPS网测量，然后用RTK技术做图根控制进行地形测量。3RTK仪器介绍本次测量使用3台套拓普康公司的TopConHiPer双频RTKGPS接收机，HiPer接收机是当今世界上最先进的、集成度最高的GPS＋（GPS和GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem）接收机。它将GPS＋天线、GPS＋接收机主板、通讯板和锂电池集成为一体，GD-20个通用通道，能够接收和处理最多20个GPSL1／L2和WAAS信号。整周模糊度初始化采用OTF（L1，L1/L2）技术，发射和接收电台是内置PDL电台，采用UHF通讯，速率为38400b/s，使用标准天线的35W基准站电台，作业距离可达20公里左右，静态定位精度：平面3mm+1ppm×D；高程5mm+1ppm×D；RTK实时定位精度：平面：10mm+1.5ppm×D；高程：20mm+1.5ppm×D，FC-1000测量手簿具有300MIPS超快运算速度的HitachiSH4微处理器162.2MHZ。4准备工作（1）根据任务的需要，收集有关资料（2）对资料分析研究，必要时现场踏勘，进行图上设计。（3）根据目的、精度要求、测区地形、交通状况等选择接收机类型和数量，按优化设计原则和相关规范的要求进行技术设计，制订合理的观测计划。（4）卫星状况预报，根据测区的地理位置，以及最新的卫星星历，对卫星状况进行预报，作为选择合适的观测时间段的依据。所需预报的卫星状况有卫星的可见性、可供观测的卫星星座、随时间变化的PDOP值、随时间变化的RDOP值等。对于个别有较多或较大障碍物的测站，需要评估障碍物对GPS观测可能产生的不良影响。5测量实施首先进行四等网首级控制，然后加密一级GPS点，测量方式采用静态和快速静态，各项操作严格按照相关规范要求施测。为了进行高程拟合，在四等网中联测了均匀分布于网中的5个高等级水准点。经过数据处理和基线解算，四等GPS网和一级GPS网的同步环坐标分量闭合差、最弱点点位中误差、最弱边相对中误差、边长相对中误差等项精度均远高于规范规定，获得了高精度的GPS定位成果，这里不再列举。对所有的四等GPS点和一级GPS点按照水准测量规范进行四等水准测量。用GPSRTK技术进行图根控制测量：首先将欲作为RTK测量联测控制点的四等GPS点的三维坐标输入计算机，检查无误后，用传输电缆导入FC－1000手簿。比较分析四等GPS点和一级GPS点的地理位置，从中选取地势较高、无遮挡的控制点作为基准站的架设点，并且这些点必须远离大功率无线电发射台、变电站、高压输电线等无线电干扰源，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰影响。基准站架设后，对基准站及电台进行必要的设置，待FC－1000手簿的屏幕提示“基准站设置成功并已经开始工作”，拔下手簿与基准站接收机的连接电缆，用另一台接收机进行部分四等GPS控制点的联测，完成上述操作后，手簿内部自动进行转换参数的求解，然后就可进行具体的测量工作。6精度分析在测量图根点时，我们还用RTK测量了一级GPS点的三维坐标，其平面坐标与用GPS静态定位方法测量的成果进行比较，RTK高程与四等水准成果和用静态GPS水准拟合的高程分别进行了比较，随机选择部分成果比较如下表：单位（m）点名X静－XRTKY静－YRTKH静－HRTKH静－HⅣ水HRTK－HⅣ水A1+0.00299-0.02708-0.0159-0.0059+0.010A100+0.00995-0.01031+0.0347+0.0007-0.034A113-0.00182-0.01487+0.0037+0.0107+0.007A4+0.00859-0.01779+0.0076+0.0116+0.004A42+0.02258-0.01176+0.0021-0.0069-0.009A47-0.00283-0.02356+0.0618+0.0188-0.043A48+0.00632-0.02366+0.0267+0.0117-0.015A49+0.01831-0.02156+0.0121+0.0091-0.003A52+0.00969-0.01699+0.0047+0.0067+0.002A55+0.00511-0.01052+0.0204+0.0254+0.005A56-0.00280-0.01618+0.0073+0.0063-0.001A88+0.00605+0.00705-0.0081-0.0261-0.018A89+0.01294+0.00370-0.0164-0.0174-0.001A99+0.01275-0.01641+0.0293+0.0163-0.013由比较结果可知：RTK测设的一级GPS点平面成果和静态GPS测设的精度比较接近；在高程方面，RTK测设的高程和四等水准高程精度也比较接近；静态GPS水准拟合的高程能满足地形测图的精度需求；RTK测设的平面成果和高程完全可以满足图根控制测量的精度。7影响精度的因素及应对措施在实际作业过程中，我们发现影响RTK精度的主要因素有：（1）基准站坐标精度由RTK的工作原理可知，如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都带有系统偏差，因此，基准站坐标具有较高的精度非常重要。（2）坐标转换参数精度求解坐标转换参数至少需要三个已知公共点，其精度不仅与测区内选择的公共点的位置和数量有关，还与选用的已知公共点的坐标精度有密切关系。（3）作业环境参考站的选择要合适，参考站要远离大功率无线电发射台、变电站、飞机场、高压线等无线电干扰源，远离大面积水域，防止GPS信号的多路径效应影响。（4）人为因素测量员作业的熟练程度，在作业时，如果屏幕显示不是固定解就记录数据，会使测设点的精度很低，甚至出现错误；如果接收机天线未保持垂直，测设的成果就不可取，人为地降低了测设点坐标精度；如果电瓶电量不足，也会降低流动站测设的坐标的精度和可靠性。为提高GPSRTK测设精度，需要采取必要的措施：基准站尽量选在较高的位置，要适当提高基准站发射天线的高度；联测的控制点尽量采用已建成的国家高等级GPS点、三角点或在一个控制网内经过统一平差的GPS点，数量要尽量多；根据卫星星历预报，选择几何图形强度较小、卫星数量较多且分布较好的时间段进行测设；适当延长在每个测设点的观测时间，以确保测出的数据是固定解并且将流动站天线尽可能保持垂直；将流动站的作业半径控制在10公里以内，若想提高作业距离，可用定向天线，定向天线可以使信号集中在某一个方向上，这样当将天线指向正确的方向时能明显的提高作业距离，或者也可以选择电台中继站，即在适当的距离增设一台中继站电台，中继站电台一边接收来自基准站发射来的数据，一边发射这些数据，这样也能明显的提高作业距离，供电电瓶一定要有足够的电量；求取转换参数时，应严格检查各控制点的坐标，并仔细检查坐标转换栏的H残差和V残差值，看其数值是否在规定的允许范围内。当然RTK