不同校正方法對(duì)RTK測(cè)圖精度的影響①

宋 珉，張 東，胡振彪

（1.青島市嶗山區(qū)計(jì)算機(jī)信息中心 山東 青島266003；2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島266033）

0 引 言

近年來(lái)，RTK技術(shù)以其高效率、直觀快捷、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、點(diǎn)位誤差不累積、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在測(cè)繪生產(chǎn)中得到了普遍的應(yīng)用［1]。雖然，RTK測(cè)量非常的快捷和方便，但因定位受各種因素的干擾，其在測(cè)量精度上還有一定差距。

采用RTK測(cè)量數(shù)據(jù)與經(jīng)典相對(duì)靜態(tài)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的方法，研究討論RTK技術(shù)的實(shí)際作用范圍和隨距離增加時(shí)RTK的平面及高程測(cè)量精度以及不同校正方法對(duì)精度的影響問(wèn)題，探討在距基準(zhǔn)站多大距離范圍內(nèi)RTK滿(mǎn)足區(qū)域圖根控制測(cè)量和碎部測(cè)量精度，使RTK測(cè)量技術(shù)更好地滿(mǎn)足工程測(cè)量的要求。

1 GPS RTK技術(shù)

1.1 GPS RTK工作原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)（RTK），它是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)，是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中一個(gè)新的突破［2]。

RTK由GPS接收設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)三部分組成。其工作原理是：將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上；另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于移動(dòng)站上，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。將這個(gè)改正值通過(guò)無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的移動(dòng)站精化其GPS觀測(cè)值，從而得到經(jīng)差分改正后移動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置［3]。

1.2 GPS RTK校正方法

RTK在進(jìn)行數(shù)字測(cè)圖時(shí)有三種校正方法：

1）基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)用單點(diǎn)校正；2）基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)用兩點(diǎn)校正；3）基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)用三點(diǎn)校正。

單點(diǎn)校正時(shí)將基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上進(jìn)行校正；兩點(diǎn)校正時(shí)將基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)，用兩個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行校正；三點(diǎn)校正是將基準(zhǔn)站架設(shè)在未知點(diǎn)，采用三個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行校正。在校正時(shí)，涉及到三參、四參、和七參數(shù)改正［4]。當(dāng)用單點(diǎn)校正時(shí)，改正的是ΔΧ、ΔY和高程參數(shù)，當(dāng)用兩點(diǎn)校正時(shí)，是線性改正，啟用四參數(shù)，包括：X平移、Y平移、旋轉(zhuǎn)角和比例，是同一個(gè)橢球內(nèi)不同坐標(biāo)系間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的參數(shù)。三點(diǎn)校正時(shí)，是面改正，是分別位于兩個(gè)橢球內(nèi)的兩個(gè)坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。七參數(shù)包括：三個(gè)平面參數(shù)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)、和一個(gè)比例尺因子。

2 實(shí)驗(yàn)方案

采用實(shí)驗(yàn)分析法、數(shù)據(jù)對(duì)比法對(duì)RTK測(cè)量精度問(wèn)題進(jìn)行研究，按以下五步進(jìn)行：

1）根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，在選取測(cè)量路線，并在此路線上按原則選取控制點(diǎn)并記錄各個(gè)GPS控制點(diǎn)的位置和周?chē)h(huán)境。

2）以已知控制點(diǎn)為基礎(chǔ)，采集單點(diǎn)校正、兩點(diǎn)校正、三點(diǎn)校正方法利用RTK接收機(jī)進(jìn)行定位數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3）將三種校正方法下的數(shù)據(jù)分別與已知靜態(tài)GPS測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，分析不同的校正方法對(duì)RTK測(cè)量精度的影響。

4）通過(guò)RTK測(cè)量數(shù)據(jù)與已知點(diǎn)水準(zhǔn)測(cè)量高程對(duì)比，研究分析測(cè)量點(diǎn)高程精度隨距離變化情況。

5）根據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，得到GPS RTK定位精度情況和作業(yè)范圍。

2.1 線路設(shè)計(jì)

按照控制點(diǎn)選取的原則進(jìn)行選點(diǎn)工作，點(diǎn)位大部分布設(shè)于道路中心或者兩道路的交叉路口處，視場(chǎng)開(kāi)闊，周?chē)鸁o(wú)高大建筑物、無(wú)大功率無(wú)線電發(fā)射源，交通方便，便于儀器的安裝與工作。在設(shè)計(jì)線路上選取了33個(gè)點(diǎn)，其中三個(gè)校正點(diǎn)：A0、A1、A2；24個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)比點(diǎn)，B1、B2……B24和距離測(cè)試試驗(yàn)點(diǎn)；C1、C5、C7、C16.測(cè)量線路長(zhǎng)約13.3km.如圖1所示。

圖1 GPS RTK觀測(cè)路線示意圖2

2.2 作業(yè)流程

1）設(shè)置基準(zhǔn)站，當(dāng)基準(zhǔn)站是已知坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)，將基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上，對(duì)中整平，將主機(jī)與發(fā)射電臺(tái)、備用電池、天線等正確連接，設(shè)置衛(wèi)星高度角、無(wú)線電類(lèi)型、天線類(lèi)型、頻率、基準(zhǔn)站斜高等各項(xiàng)配置參數(shù)。當(dāng)基準(zhǔn)站是未知坐標(biāo)點(diǎn)時(shí)不需對(duì)中整平和量取斜高；

2）設(shè)置移動(dòng)站，設(shè)置連接方式和電臺(tái)通道號(hào)，輸入流動(dòng)站的天線高，輸入觀測(cè)時(shí)間、次數(shù)等參數(shù)；

3）分別采用單點(diǎn)校正、兩點(diǎn)校正和三點(diǎn)校正對(duì)選區(qū)的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

三種校正方法觀測(cè)路線相同，所測(cè)點(diǎn)位相同，觀測(cè)環(huán)境基本相同，人員固定，采集點(diǎn)時(shí)嚴(yán)格地按照數(shù)據(jù)采集步驟，以保證數(shù)據(jù)的可比性。

2.3 精度分析

將三種校正方法得到的數(shù)據(jù)與靜態(tài)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別計(jì)算三種校正模式下的X坐標(biāo)中誤差、Y坐標(biāo)中誤差和點(diǎn)位中誤差，得到的對(duì)比結(jié)果如表1所示，通過(guò)對(duì)比可知，當(dāng)用1個(gè)校正點(diǎn)時(shí)，中誤差值最小，均小于20mm，隨著已知校正點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，中誤差在逐漸增大，點(diǎn)位精度逐漸降低。

表1 三種校正情況下的點(diǎn)位平面精度中誤差對(duì)比表

三種模式下點(diǎn)位平面位移中誤差與移動(dòng)站距基準(zhǔn)站之間的距離之間的關(guān)系圖如圖2所示：點(diǎn)位中誤差隨距離的增加都逐漸增加，當(dāng)距離增大到3 km時(shí)兩點(diǎn)和三點(diǎn)校正情況下的位移中誤差迅速增大。

分別選取單點(diǎn)、兩點(diǎn)、三點(diǎn)校正情況下的公共測(cè)量點(diǎn)高程坐標(biāo)值與已知點(diǎn)高程值進(jìn)行比較。高程中誤差隨與基準(zhǔn)站距離的增加，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，如圖3所示。根據(jù)《工程測(cè)量技術(shù)規(guī)范》規(guī)定對(duì)于四等水準(zhǔn)點(diǎn)要求線路閉合差為±從以上對(duì)比可知，三種校正情況下當(dāng)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站距離超過(guò)3.5km時(shí)，高程精度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際圖根控制測(cè)量。

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明RTK在距離基準(zhǔn)站3km范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量點(diǎn)位精度較高，一般在5cm范圍之內(nèi)，高程誤差滿(mǎn)足四等水準(zhǔn)測(cè)量要求，且接收衛(wèi)星信號(hào)和來(lái)自基準(zhǔn)站點(diǎn)的差分信息穩(wěn)定，能一直保證在固定接收狀態(tài)，無(wú)需為基準(zhǔn)站和移動(dòng)站失鎖擔(dān)心，其點(diǎn)位精度完全能達(dá)到1∶500圖根控制測(cè)量的要求，能很好地滿(mǎn)足線路和工程測(cè)量。就三種校正方法作比較，小范圍內(nèi)使用單點(diǎn)校正，測(cè)量點(diǎn)位的平面精度比其他兩種校正方法都要精確。

［1]李英冰，徐紹銼.利用RTK進(jìn)行數(shù)字化測(cè)圖的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)［J].全球定位系統(tǒng)，2005，30（5）：30－34.

［2]蔡文惠，謝峰震.RTK技術(shù)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)劣及其質(zhì)量控制探討［J].科技咨詢(xún)導(dǎo)報(bào)，2007（5）：47－50.

［3]張 東，梁 勇，劉紀(jì)平，等.RTK技術(shù)在控制測(cè)量與大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用研究［J].全球定位系統(tǒng)，2010，35（4）：31－34.

［4]徐紹銓?zhuān)瑥埲A海，楊志強(qiáng)，等.GPS測(cè)量原理與應(yīng)用［M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1998.