實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)淺析

姬旭東 (中原油田勘察設(shè)計研究院,河南 濮陽 457001)

實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)淺析

姬旭東 (中原油田勘察設(shè)計研究院,河南 濮陽 457001)

實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real-time kinematic，RTK)是一種新的GPS測量方法。介紹了RTK技術(shù)的基本原理，詳細(xì)闡述了RTK技術(shù)的主要流程。

RTK技術(shù);圖根控制測量網(wǎng);基準(zhǔn)站;流動站

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的全面建成和發(fā)展,導(dǎo)致了導(dǎo)航和測繪行業(yè)的一場重大深刻的技術(shù)革命。常規(guī)的靜態(tài)GPS測量方法越來越多地應(yīng)用于高精度控制網(wǎng)的建立，但利用該方法無法在野外對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時檢核，從而造成觀測結(jié)果不合格而需要返工的情況，而利用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(Real-time kinematic，RTK)可以改變上述狀況。RTK技術(shù)采用載波相位動態(tài)實時差分方法，可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果，能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量結(jié)果，從而提高工作效率[1]。下面，筆者對RTK技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 RTK技術(shù)的基本原理

RTK系統(tǒng)由1個基準(zhǔn)站、若干個流動站及無線電通訊系統(tǒng)組成?；鶞?zhǔn)站包括GPS接收機、GPS天線、無線電通訊發(fā)射系統(tǒng)、供GPS接收機和無線電臺使用的電源及基準(zhǔn)站控制器等部分。流動站包括GPS接收機、GPS天線、對中桿、無線電通訊接收系統(tǒng)、供GPS接收機和無線電使用的電源及流動站控制器等部分。在RTK作業(yè)模式下，在已知高等級點上(基準(zhǔn)站)安置1臺接收機為參考站，對GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將觀測數(shù)據(jù)和測站信息通過無線電傳輸設(shè)備實時地發(fā)送給流動站，流動站GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號和采集衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時，通過無線接收設(shè)備接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)鏈，并在系統(tǒng)內(nèi)對采集和接收的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行載波相位差分處理，實時解算出流動站的三維坐標(biāo)及其精度(即基準(zhǔn)站和流動站坐標(biāo)差ΔX、ΔY、ΔH，加上基準(zhǔn)坐標(biāo)得到的每個點的WGS-84坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)得出流動站每個點的平面坐標(biāo)X、Y和海拔高H[2])。因此，使用RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于根據(jù)GPS的載波相位觀測量,并利用基準(zhǔn)站和流動站之間觀測誤差的空間相關(guān)性,通過差分的方式除去流動站觀測數(shù)據(jù)中的大部分誤差,從而實現(xiàn)高精度(分米甚至厘米級)定位。

2 RTK技術(shù)的主要流程

2.1收集測區(qū)資料

收集測區(qū)資料時，采用Trimble R8 GNSS多通道、多頻帶且集接收機、天線和數(shù)傳電臺于一體的GNSS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng)，該系統(tǒng)收集的測區(qū)資料主要包括測區(qū)范圍、地貌特征，測區(qū)交通情況以及所能利用的控制點(包括坐標(biāo)、高程、等級等)。

2.2確定測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)

對于RTK測量，要求實時得出待測點在實用坐標(biāo)系(如1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系或地方獨立坐標(biāo)系等)中的坐標(biāo)，即將GPS觀測的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國家平面坐標(biāo)(如北京54坐標(biāo))或者工程施工坐標(biāo)。對于WGS-84到國家平面坐標(biāo)(如北京54坐標(biāo))的轉(zhuǎn)換，可以采用高斯投影的方法，這時需要確定WGS84與國家平面坐標(biāo)(如北京54坐標(biāo))2個大地測量基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)(三參數(shù)或七參數(shù))，同時定義三維空間直角坐標(biāo)軸的偏移量和(或)旋轉(zhuǎn)角度并確定尺度差。但通常情況下，對于一定區(qū)域內(nèi)的工程測量應(yīng)用，一般利用以往的控制點成果求取“區(qū)域性”的地方轉(zhuǎn)換參數(shù)，可以分為以下幾種情況[3]：①采用已有的靜態(tài)數(shù)據(jù)，直接將控制點的WGS-84坐標(biāo)和國家平面坐標(biāo)(如北京54坐標(biāo))或者工程施工坐標(biāo)輸入測量手簿，利用隨機軟件求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。②若測區(qū)只有足夠控制點的地方坐標(biāo)，相對位置關(guān)系精確，但沒有WGS-84坐標(biāo)。在上述情況下，可以利用RTK測量方法，以基準(zhǔn)站為起算位置(該起算位置的坐標(biāo)由GPS接收機觀測確定，是一個精度有限的大地坐標(biāo)，但不影響RTK觀測的相對位置關(guān)系)，確定各控制點之間相對精確的位置關(guān)系，并實時測定WGS-84大地坐標(biāo)。③當(dāng)某些地方無合適的控制點坐標(biāo)設(shè)置基準(zhǔn)站時，可以采用基準(zhǔn)站任意擺放的方式，即虛擬一個基準(zhǔn)站，該基準(zhǔn)站的WGS-84坐標(biāo)直接從測量手簿讀取，然后通過流動站再到各個控制點上去采集WGS-84坐標(biāo)。

2.3基準(zhǔn)站的選擇及設(shè)置

1)基準(zhǔn)站的選擇 GPS RTK定位的數(shù)據(jù)處理過程實際上是基準(zhǔn)站和流動站之間的單基線處理過程，基準(zhǔn)站和流動站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和無線電的信號傳播質(zhì)量的好壞對定位結(jié)果的影響很大。選擇的基準(zhǔn)站位置應(yīng)便于安置接收機，且視野開闊，尤其應(yīng)注意的是要遠(yuǎn)離大功率的無線電發(fā)射源，同時要考慮GPS電臺的發(fā)射功率和覆蓋范圍，以便獲得最大的數(shù)據(jù)通訊有效半徑。

2)基準(zhǔn)站的設(shè)置 基準(zhǔn)站的設(shè)置內(nèi)容主要包括項目和坐標(biāo)系統(tǒng)管理、基準(zhǔn)站電臺頻率選擇、GPS RTK工作方式選擇，基準(zhǔn)站坐標(biāo)輸入、基準(zhǔn)站工作啟動等，以上設(shè)置完成后，可以啟用基準(zhǔn)站。

2.4外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)從基準(zhǔn)站以外的已知控制點出發(fā)，利用流動站驗證已知坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)及基準(zhǔn)站設(shè)置的準(zhǔn)確性，然后依次將已有控制點與加密控制點進(jìn)行測量，每一個控制點最少要測量2次。特別注意的是應(yīng)將接收機安裝在支架上來實測，以保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性。

2.5測量精度檢查

為了保證實測精度和可靠性，必須對已知控制點進(jìn)行檢核，避免出現(xiàn)作業(yè)盲點。一般采用以下方法：①已知點檢核比較法。利用所測出已知控制點的坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核，發(fā)現(xiàn)問題即采取措施改正。②重測比較法。每次初始化成功后，先重測1～2個已測過的高精度控制點，確認(rèn)無誤后才進(jìn)行RTK測量。相對而言已知點檢核比較法的檢核結(jié)果更加可靠，但由于控制點的數(shù)量有限，因而在沒有控制點的地方需要用重測比較法來檢核測量成果。

2.6內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

針對RTK測量數(shù)據(jù)，可以利用專業(yè)軟件(TGO軟件)處理接收機導(dǎo)入的測量數(shù)據(jù)(*.dc)，直接將坐標(biāo)值以文件的形式存到電腦中，然后對輸出的各個控制點依據(jù)布設(shè)的位置進(jìn)行編號，檢查無誤后，再進(jìn)行輸出和打印，最終得到相關(guān)控制點的測量結(jié)果。

3 結(jié) 語

實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)作為一種新的GPS測量方法，與傳統(tǒng)控制測量相比，其作業(yè)效率高、定位精度高、數(shù)據(jù)安全可靠、作業(yè)不受通視條件影響、單站測量控制范圍廣、操作簡單，能有效減少因地形復(fù)雜帶來的繁重工作量。但RTK技術(shù)也存在一些不足，如容易受GPS衛(wèi)星狀況及周圍環(huán)境的限制、高程測量精度較低等。因此，今后應(yīng)加強該技術(shù)的研究，使其功能進(jìn)一步完善，從而更好地為工程放樣、地形測圖及各種控制測量服務(wù)。

[1]劉大杰,施一民,過靜一.全球定位系統(tǒng)(GPS)原理與數(shù)據(jù)處理[M].上海:同濟大學(xué)出版社,1996.

[2]周忠謨,易杰軍,周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京:測繪出版社,1997.

[3]徐紹銓.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1998.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.024

P228.4

A

1673-1409(2012)09-N068-02

2012-06-10

姬旭東(1979-)，男，2002年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事油田內(nèi)外的長距離油氣管道和道路施工測量方面的研究工作。

[編輯] 李啟棟