GPS-RTK在工程測量中應(yīng)用及其技術(shù)特點

莫日根，李淑娟

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心內(nèi)蒙古總隊,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

隨著測繪技術(shù)的長足發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的新儀器、新方法、新技術(shù)逐步取代了傳統(tǒng)光學(xué)儀器。目前在基礎(chǔ)測繪方面，GPS-RTK成為工程人員首要的選擇。其能夠克服GPS的作業(yè)時間長、數(shù)據(jù)需要進行內(nèi)業(yè)處理等缺點，具有全天候、高精度、無需光學(xué)通視的特點，而且還可以為測量提供實時的定位結(jié)果，可以說GPS-RTK這一新成果的應(yīng)用拓展是測量方法的又一重大突破，這項技術(shù)被人們稱為“GPS全站儀”[1]。

與此同時，GPD-RTK在工程測量的應(yīng)用還使得測量朝著電子化、數(shù)字化、自動化和智能化方向發(fā)展，使得測繪人員從繁重的腦力勞動和體力勞動中解放出來。

1 原理及工程應(yīng)用

1.1 RTK基本原理

GPS-RTK定位技術(shù)[2,5]基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標中的三位定位結(jié)果，并能達到厘米級精度。實時動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)由基站、數(shù)據(jù)通訊鏈流動站以及支持動態(tài)差分的軟件系統(tǒng)共同組成。基準站接收機設(shè)在位置點上(已知點或未知點)，連續(xù)接收可視GPS衛(wèi)星信號，通過基準站電臺(數(shù)據(jù)通訊鏈)將測站點坐標、載波相位觀測數(shù)值、偽距觀測數(shù)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)等發(fā)出，流動站接收機在跟蹤GPS衛(wèi)星信號的同事接收來自基準站的數(shù)據(jù)鏈，通過差分處理求解載波相位整周模糊度，得到基準站和流動站之間的坐標差值ΔX、ΔY、ΔZ。坐標差加上基準站坐標就可以得到流動站的WGS84坐標，再通過坐標轉(zhuǎn)換得到流動站每個測點的地方坐標系的平面坐標x、y和高程坐標h。RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其定位時要求基準站的接收機通過民用電臺或無線通訊網(wǎng)絡(luò)實時地把相位觀測值、偽距觀測值及已知數(shù)據(jù)有傳輸給流動站接收機。

基準站一般架設(shè)在已知點上，點位通常位于測區(qū)中心，要求視野開闊，周圍無高大障礙物，遠離電磁信號和大面積水面。

1.2 工程應(yīng)用

(1)控制測量。

工程控制網(wǎng)在建設(shè)工程有重要作用，它是工程建設(shè)、管理和維護的基礎(chǔ)，其網(wǎng)型和精度要求與建設(shè)工程項目的性質(zhì)、規(guī)模等密切相關(guān)。一般而言，四等以下工程控制網(wǎng)覆蓋面積小，點位密度大，精度要求較高。傳統(tǒng)方法采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)來實施，其大多數(shù)需要分段測量，有精度分布不均勻、不能實時知道實測精度等缺點，由于客觀及主觀原因，往往會造成大量的返工，費工費時。RTK技術(shù)可以代替全站儀進行圖根導(dǎo)線測量，所測范圍內(nèi)在不通視的情況下測定無積累誤差的圖根點，使測圖所需的根點數(shù)量在滿足要求時，可多可少，機動靈活，而且流動點至參考點的距離可達到10km[4]，能夠減少傳遞。RTK技術(shù)用于常規(guī)工程測量具有很大優(yōu)越性。

(2)工程放樣。

工程放樣是測量的一個應(yīng)用分支[5]，要求通過一定方法利用測繪儀器把設(shè)計好的點位在實地標出來，傳統(tǒng)放樣方法很多，如經(jīng)緯儀交匯放樣、全站儀邊角放樣等。工程實際中，一般要放樣出一個設(shè)計點的點位往往要來回移動目標，而且通常要幾人同時作業(yè)，效率低下且在放樣過程中對通視條件有要求。若采用RTK技術(shù)，僅需要一個工作人員將設(shè)計好的實點位坐標、曲線轉(zhuǎn)角、半徑等點位信息輸入到電子手薄中，拿著GPS接收機便能完成工作。采用RTK技術(shù)進行放樣、標定點位，是坐標的直接標定，不像常規(guī)放樣，需要后視方向，其原理是解析法標定，因而具有迅疾、方便、精準等諸多優(yōu)點。

(3)地形碎部測量。

地形測圖時首先要在測區(qū)建立圖根和控制點，然后架設(shè)儀器，采用經(jīng)緯儀配合全站儀和電子手薄一起進行地物編碼。在城市空曠地區(qū)、建筑物不太稠密的住宅區(qū)等通透地方，RTK能迅速地完成碎部測量作業(yè)。在夜間作業(yè)，比傳統(tǒng)測量作業(yè)方便很多。在市區(qū)中心等建筑物稠密地段，有時GPS會出現(xiàn)盲區(qū)，導(dǎo)致初始化時間長或是失鎖，影響測量速度，可采用RTK增補圖根導(dǎo)線點，配合其他儀器進行碎部測量。這樣可以大大提高工作效率。采用RTK測圖時，將GPS接收機放在待定特征點上數(shù)秒鐘，并輸入特征編碼，通過手薄可以實時知道點位精度，把一個區(qū)域測繪完成回到室內(nèi)，有專業(yè)的軟件接口就可以輸出所要求的地形圖。

采用RTK配合電子手薄還可以測量各種比例尺的鐵路線帶、公路管線地形圖等，也有其配合測探儀用于水庫地形圖和航海海洋測繪的例證。

2 技術(shù)特點

2.1 誤差來源和測量精度

RTK定位的誤差，一般分為兩類：同儀器和干擾有關(guān)的誤差以及同距離有關(guān)的誤差。同儀器和干擾誤差可通過各種校正方法予以消除；同距離有關(guān)誤差消除的主要途徑為多基站技術(shù)。

(1)同儀器和干擾有關(guān)的誤差。

天線的機械中心和相位中心一般不重合，而且電子相位中心是變化的，它取決于接受信號的頻率、方位角、高度角等。天線相位中心的變化導(dǎo)致的坐標點的誤差通常在3～5cm。若要提高RTK的精度需對天線檢驗校正。

多路徑誤差是RTK測量中最嚴重的誤差，其取決于天線周圍的環(huán)境，誤差通常在5～10cm，高反射環(huán)境下可超過10cm。消除多路徑誤差可選擇地形開闊、不具有反射面的點位，必要時也可在基準站附近鋪設(shè)吸收電波材料的方式予以消除或減弱。

信號干擾和氣象因素也會導(dǎo)致RTK產(chǎn)生誤差。信號干擾源有無線電發(fā)射源、雷達裝置、高壓線等，基準站選擇設(shè)置在離無線電發(fā)射臺200m之外，離高壓線50m之外能有效避免其干擾，減小誤差?？焖龠\動的氣象峰面，可導(dǎo)致1～2cm的觀測誤差。因此，天氣急劇變化時不宜進行RTK測量。

(2)同距離有關(guān)的誤差。

軌道誤差通常情況下可不考慮，但對基線很長達到30km的測量，應(yīng)重視由軌道誤差引起的誤差。

電離層的存在會引起電磁波傳播延緩進而產(chǎn)生誤差，其誤差的大小與電磁波的延遲度和電離層的電子密度密切相關(guān)。利用雙頻接收機將觀測值進行線性組合可消除電離層誤差。實際上RTK技術(shù)一般都考慮了上述辦法，但在太陽黑子爆發(fā)期，不宜RTK測量。

RTK采用差分法降低了載波相位測量改正后的殘余誤差，使得測量精度提高。相關(guān)研究和工程實踐表明RTK測量能達到厘米級精度。RTK測量平面精度在數(shù)據(jù)信號接收半徑R≤4000m是能夠保證較高精度，當R≥4000m時測量誤差明顯增大。另外作業(yè)時接收到衛(wèi)星數(shù)量越小，RTK測量誤差越大。因此，相關(guān)研究表明RTK測量在接收5顆以上衛(wèi)星時，便能達到一定的測量精度。

2.2 RTK的特點

(1)定位精度高：只要滿足2.1條中描述的RTK基本技術(shù)特點，在一定的作業(yè)半徑(當R≥4000m)范圍內(nèi)，RTK的平面精度和高程精度能達到厘米級[6]。

(2)工作效率高：由于RTK在較大范圍內(nèi)能保證很高的精度，這減少了傳統(tǒng)測量所需要的控制點數(shù)量和測量儀器的設(shè)站數(shù)量，且移動站僅需一人操作便能夠完成，具有作業(yè)速度快、勞動強度低的特點，因而提高了工作效率。

(3)操作簡單：現(xiàn)在的測量儀器一般都有中文菜單，測量時，只要在設(shè)站進行簡單的設(shè)置，就可以測量。輸入、儲存、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強，測量儀器及相關(guān)通訊工具易于使用。

(4)全天候作業(yè)：和傳統(tǒng)測量受通視條件、能見度條件、氣候、天氣、季節(jié)等條件因素限制相比，RTK測量不要求基準站與移動站間的光學(xué)通視，因而在滿足RTK基本工作條件下，測量工作變得簡單、便捷，且能保證精度要求。

(5)RTK測量自動化、集成化程度高，數(shù)據(jù)處理能力強：RTK可進行多種測量內(nèi)、外作業(yè)。移動站利用專業(yè)軟件控制系統(tǒng)，減少人工干預(yù)可自動實現(xiàn)多種測繪功能。

2.3 RTK的局限性

(1)衛(wèi)星的限制：5顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，因而在有大面積反射物的地方RTK就無法定位，如高層建筑附近，森林茂密是的山地等。

(2)沒有圖形約束，缺少多余觀測，需要通過側(cè)前、測中、側(cè)后的固定點校核提高可靠性。

3 結(jié)論

GPS-RTK技術(shù)不僅能達到較高的定位精度，而且大大提高了測量的工作效率，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，很大程度上減少了測量人員的內(nèi)外勞動作業(yè)時間和作業(yè)強度。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，其在工程測量的應(yīng)用正變的越來越頻繁，普及和推廣也勢在必行，RTK技術(shù)在工程測量領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]王亞軍,楊俊生.GPS在城市控制測量中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2003(6):6-23.

[2]徐勇.淺議GPS工程測量技術(shù)的原理[J].科技論壇,2010(5):1-14.

[3]陳文彬.基于GPS的工程測量技術(shù)研究與應(yīng)用[J].安陽工學(xué)院學(xué)報,2010(3):1-8.

[4]徐海東.GPS定位系統(tǒng)在工程測量中的應(yīng)用探討[J].城市建設(shè)理論研究,2011(23):4-24.

[5]王國祥,梅熙.GPS-RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J].四川測繪,2001,24(4):166-167,171.

[6]徐良,過靜珺.基于GPS-RTK技術(shù)的虎門大橋位移實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析[J].工程勘察,2001(1):47-48.