基于GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量工作中誤差的探討

徐祺昌

【摘要】RTK技術(shù)與GPS靜態(tài)定位技術(shù)相比，一方面，RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量具有高效與靈活的特點(diǎn)。另一方面，RTK所具有的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集處理等技術(shù)工藝比較復(fù)雜。與流動(dòng)站實(shí)時(shí)定位所存在的相關(guān)的誤差，對(duì)RTK的作業(yè)精度與可靠性都會(huì)帶來直接的影響。因而，有必要對(duì)這些誤差影響進(jìn)行必要的研究，進(jìn)而更好地把RTK技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有效發(fā)揮，為GPS測(cè)量生產(chǎn)實(shí)踐提供必要的參考。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)態(tài)測(cè)量 定位 減少誤差 數(shù)據(jù)擬合

1油田GPS—RTK井位測(cè)量的誤差分析

誤差分析存在兩類：一類是和信號(hào)傳播相關(guān)的誤差，具體包括電離層折射、多路徑效應(yīng)以及信號(hào)干擾等等，另外一類是GPS衛(wèi)星與儀器相關(guān)的誤差，具體包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差以及觀測(cè)誤差等等。從固定基準(zhǔn)站的層面來看，同GPS衛(wèi)星與儀器相關(guān)的誤差能夠通過校正方法來實(shí)現(xiàn)削弱的效果，同信號(hào)傳播相關(guān)的誤差將隨移動(dòng)站至基準(zhǔn)站的距離的增加而加大，所以RTK的有效作業(yè)半徑是有限的（一般為10km內(nèi)）。

2RTK流動(dòng)站相關(guān)的誤差影響特性分析

在GPS測(cè)量時(shí)，觀測(cè)值是以接收機(jī)天線的相位中心位置作為基礎(chǔ)的，天線的相位中心和它的幾何中心從理論的層面上應(yīng)維持一致。但在對(duì)天線的相位中心進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，應(yīng)隨著信號(hào)輸入強(qiáng)度與方向的不同而存在一定的變化，此類差別被稱作天線相位中心的位置偏差。此類偏差所導(dǎo)致的影響甚至能達(dá)到厘米。正因?yàn)槿绱耍邮諜C(jī)天線相位中心的偏差，對(duì)RTK定位精度有著較大的影響。實(shí)際操作中，用觀測(cè)值的求差的方式來削弱相位中心偏移所帶來的負(fù)面影響，必要時(shí)對(duì)天線檢驗(yàn)進(jìn)行校正。RTK動(dòng)態(tài)作業(yè)時(shí)載體瞬時(shí)姿態(tài)改正精度作為重要的誤差來源，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)操作時(shí)，在多類因素的作用下，無法確保流動(dòng)站的單桿能夠達(dá)到完全豎直的狀態(tài)。在待定點(diǎn)P上無法實(shí)時(shí)確定天線動(dòng)態(tài)瞬時(shí)姿態(tài)，如圖1所示。設(shè)地面坡度或天線對(duì)中桿單桿高度為h時(shí)，傾斜姿態(tài)角θ使P點(diǎn)鉛垂方向A偏移B，即引起平面ΔP和高程Δh誤差，θ很小時(shí)，可推出兩項(xiàng)誤差改正模型。

3擬合方法轉(zhuǎn)換

通過GPS相對(duì)定位的方式所得到的三維基線向量，以GPS網(wǎng)平差為基礎(chǔ)可以得到高精度的大地高差。若網(wǎng)中有一點(diǎn)或者多點(diǎn)有著精確的GS-84坐標(biāo)系的大地高程，則在GPS網(wǎng)平差后，能夠求得各GPS點(diǎn)的大地高GS-84大地H84高是由地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球面法線到參考橢球面的距離，是一個(gè)幾何量，不具有物理上的意義它通過與水準(zhǔn)測(cè)量資料重力測(cè)量資料等相結(jié)合，來確定測(cè)點(diǎn)的正常高，具有重要的意義但在實(shí)際應(yīng)用中，地面點(diǎn)高程采用正常高系統(tǒng)。

二次曲面擬合法是在擬合區(qū)域內(nèi)的水準(zhǔn)重合點(diǎn)之間，按削高補(bǔ)低的原則平滑出一個(gè)二次多項(xiàng)式曲面來代表擬合區(qū)域的似大地水準(zhǔn)面，供內(nèi)插使用擬合范圍越大，高程異常的變化則會(huì)更加復(fù)雜，削高補(bǔ)低的誤差也越大平面擬合法使用范圍比較窄，要求擬合區(qū)域地勢(shì)平坦區(qū)域范圍較小，似大地水準(zhǔn)面接近一個(gè)平面，它通過少量的已知固定點(diǎn)擬合出簡(jiǎn)單的平面模型來近似表示似大地水準(zhǔn)面多面函數(shù)擬合是一種純數(shù)學(xué)曲面逼近方法，它的出發(fā)點(diǎn)是在每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上同各個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)分別建立函數(shù)關(guān)系，這種關(guān)系表現(xiàn)為一規(guī)則的數(shù)學(xué)曲面，將這些有規(guī)律的數(shù)學(xué)曲面按一定的比例迭加起來，就能夠?qū)崿F(xiàn)較好的擬合效果。采用的已知水準(zhǔn)點(diǎn)越多，相對(duì)來說擬合精度就越高。

結(jié)合實(shí)測(cè)量GPS高程測(cè)量應(yīng)用的組成GPS水準(zhǔn)混合網(wǎng)進(jìn)行平差，并將其精度與四等水準(zhǔn)測(cè)量精度指標(biāo)進(jìn)行比較，經(jīng)實(shí)際工作驗(yàn)證，擬合出的正常高程能夠滿足一般工程四等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，在一定程度上降低了生產(chǎn)成本。

4油田GPSRTK井位測(cè)量的質(zhì)量控制

4.1對(duì)坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換的要求

GPS衛(wèi)星星歷是以WGS一84大地坐標(biāo)系為根據(jù)而建立的，GPS-RTK使用的坐標(biāo)系統(tǒng)是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)。目前求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法有兩種：一是將測(cè)區(qū)控制點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)和54北京坐標(biāo)直接鍵人手簿來自動(dòng)求取轉(zhuǎn)換參數(shù)。二是控制點(diǎn)若無WGS84坐標(biāo)，可采取現(xiàn)場(chǎng)采集的方法，通過鍵入一定數(shù)量控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)，然后到這些控制點(diǎn)上用RTK采集WGS84坐標(biāo)，通過點(diǎn)校正擬合出最佳轉(zhuǎn)換參數(shù)（又稱求參），其轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確性通過多次實(shí)踐，我們認(rèn)為，求參控制點(diǎn)的精度及分布是影響定位精度很重要的一環(huán)，一般要求控制點(diǎn)在測(cè)區(qū)內(nèi)要分布均勻，平面起算點(diǎn)5個(gè)以上。

4.2參考站選擇要求

針對(duì)RTK定位原理中的兩種信號(hào)傳播的重要性，油田井位測(cè)量參考站位置的選擇尤為重要，參考站除應(yīng)當(dāng)滿足GPS觀測(cè)條件外，還應(yīng)滿足“電磁波通視”———即電磁波能從參考站通過直射、繞射和反射等傳播方式有效地到達(dá)流動(dòng)站，通常規(guī)定參考站應(yīng)選擇在地勢(shì)開闊或高層建筑物的樓頂上，周圍沒有無線電干擾和多路徑效應(yīng)，以利于接收衛(wèi)星信號(hào)和數(shù)據(jù)鏈信號(hào)。

4.3油田井位測(cè)量時(shí)段要求

進(jìn)行井位測(cè)量時(shí)應(yīng)滿足GPS觀測(cè)要求，安排觀測(cè)時(shí)間時(shí)應(yīng)排除點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子（PDOP）值大的時(shí)間段（可以通過衛(wèi)星預(yù)報(bào)的信息來查看），經(jīng)分析出現(xiàn)粗差的時(shí)候往往是PDOP值較大的時(shí)間段，一般中午時(shí)分不易進(jìn)行RTK測(cè)量，或者測(cè)量效率很低，所以要盡量早出工，晚收工，利用良好時(shí)段進(jìn)行RTK井位測(cè)量，不僅效率快，而且精度高。

4.4儀器機(jī)內(nèi)精度設(shè)置

要求設(shè)置機(jī)內(nèi)精度時(shí)保留一定的精度儲(chǔ)備，這樣可以使收斂較慢的點(diǎn)位觀測(cè)精度會(huì)提高。一般做控制時(shí)機(jī)內(nèi)精度指標(biāo)預(yù)設(shè)為點(diǎn)位中誤差±2.0cm，高程中誤差±2.0cm。3.6.RTK觀測(cè)架站要求為減少儀器對(duì)中誤差和加快初始化收斂，要求油田井位測(cè)量時(shí)，RTK觀測(cè)時(shí)間應(yīng)不少于3min。

4.5解決盲點(diǎn)問題

如果導(dǎo)致盲點(diǎn)的主要原因是數(shù)據(jù)鏈信號(hào)接收問題，首先可提高參考站和流動(dòng)站天線的架設(shè)高度，流動(dòng)站天線可采用長(zhǎng)垂準(zhǔn)桿架設(shè)以保證成果精度。若不行再考慮搬站；如果盲點(diǎn)地區(qū)致盲的主要原因是接收衛(wèi)星狀況不良，則應(yīng)該在盲點(diǎn)周圍加測(cè)根控制點(diǎn)，以便用全站儀補(bǔ)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊帆，張予杰，GPS-RTK技術(shù)在油田井位測(cè)量中的應(yīng)用[J].《全球定位系統(tǒng)》.2005.02.

[2]王利，鄭瑋.RTKGPS測(cè)量中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解若干方法討論[J].西安工程學(xué)院學(xué)報(bào)；2002.01.