GPS RTK技術(shù)在跨河水準(zhǔn)測(cè)量中的應(yīng)用

崔居峰

（淄博市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 淄博 255000）

在傳統(tǒng)的跨河水準(zhǔn)測(cè)量中，一般根據(jù)跨河距離，選用相應(yīng)的儀器及布網(wǎng)形式進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)于距離大于800 m的跨河水準(zhǔn)測(cè)量，由于垂直角觀測(cè)精度要求高，測(cè)回?cái)?shù)多，經(jīng)常出現(xiàn)返工。近幾年來，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分 GPS技術(shù) （即 RTK—Real—Time Kinematic）的出現(xiàn)，給測(cè)繪領(lǐng)域帶來翻天覆地的變化。運(yùn)用RTK GPS系統(tǒng)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)RTK技術(shù)在小范圍內(nèi)的高程測(cè)量精度有時(shí)可達(dá)到三﹑四等水準(zhǔn)測(cè)量精度。

1 影響RTK高程的主要因素及解決方法

1）電離層延遲﹑對(duì)流層延遲的影響。對(duì)電離層延遲﹑對(duì)流層延遲，科學(xué)家們提出了很多的改正模型。實(shí)際上，經(jīng)過模型改正的電離層延遲影響不到2 mm，對(duì)流層的影響比電離層的影響大些，經(jīng)過模型改正的對(duì)流層影響大約為幾毫米到幾厘米。鑒于其影響隨著衛(wèi)星高度角的減少而增大，建議觀測(cè)時(shí)把高度角小于20°的衛(wèi)星刪去。

2）衛(wèi)星中誤差﹑接收機(jī)中誤差的影響。衛(wèi)星中誤差在GPS雙差過程中，已經(jīng)被消除，接收機(jī)中誤差在求差中被大大削弱，對(duì)于同一廠生產(chǎn)的接收機(jī)，他的影響很小，可忽略不計(jì)。

3）多路徑效應(yīng)的影響。多路徑效益嚴(yán)重影響GPS的測(cè)量精度，嚴(yán)重時(shí)還將引起信號(hào)的失鎖。他的影響既不能采用求差法來解決，也無法建立改正模型，削弱的唯一辦法是選用較好的天線，合理選擇測(cè)站，遠(yuǎn)離反射物和干擾源。

4）相位整周模糊度解算的影響。相位整周模糊度解算的正確與否直接影響RTK的實(shí)時(shí)解算精度，且呈系統(tǒng)特性。解決他的辦法是在觀測(cè)時(shí)多次初始化，通過采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較鑒別，從而判斷初始化是否可靠。

5）儀器高量取誤差。量儀器高時(shí)，從天線互成120°的3個(gè)角度上進(jìn)行重復(fù)量取，互差不能超過2 mm，最后取其平均值作為該測(cè)站的儀器高。

6）接收機(jī)本身的精度指標(biāo)。該類型接收機(jī)的LRK模式的高程精度95%為10 mm+1 ppm。為了減小他的影響，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)該控制好各點(diǎn)間的距離，短邊距離最好大于500 m。

7）衛(wèi)星質(zhì)量﹑衛(wèi)星圖形的影響。由于這些影響大多不能令操作者控制，他們對(duì)RTK有時(shí)解算精度影響較大，所以觀測(cè)時(shí)最好能進(jìn)行衛(wèi)星預(yù)報(bào)，選擇最佳時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)。

8）高程異常。在測(cè)區(qū)內(nèi)，當(dāng)各測(cè)站高差小于10 m時(shí)，他們的高程異常差只有幾毫米，可忽略不計(jì)。

2 外業(yè)實(shí)驗(yàn)與成果分析

2.1 外業(yè)實(shí)施原則

用RTK高程的相對(duì)高差代替跨河水準(zhǔn)試驗(yàn)，是試圖利用流動(dòng)站B﹑C﹑D相對(duì)基準(zhǔn)站A的高程HB﹑HC﹑HD減去基準(zhǔn)站的高程 HA獲得 3個(gè)直接高差HAB﹑HAC﹑HAD（如圖1）。

圖1 基準(zhǔn)站布設(shè)圖

同理，在站點(diǎn)B﹑C﹑D擺設(shè)基準(zhǔn)站，可獲得相應(yīng)的直接高差 HBA﹑HBC﹑HBD﹑HCA﹑HCB﹑HCD﹑HDA﹑HDB﹑HDC，從而完成了一個(gè)測(cè)回的觀測(cè)。如果把流動(dòng)站B﹑C﹑D相對(duì)基準(zhǔn)站 A的高程 HB﹑HC﹑HD，進(jìn)行相減可獲得 BC﹑CD﹑BD的相對(duì)高差，這種高差稱為間接高差，同理也可獲得其他線段的間接高差。這樣，每條線段有2個(gè)直接高差和2個(gè)間接高差，共4個(gè)高差值。再通過三步檢驗(yàn)：1）4個(gè)高差值最大較差不能超出RTK標(biāo)稱精度 2 倍限差（（±10 mm+1 ppm）×2）；2）經(jīng)過水準(zhǔn)觀測(cè)線段的RTK高差與水準(zhǔn)值相比不得超出三等水準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)已測(cè)測(cè)段高差的差的要求（R為線段長度，km）；3）多邊形邊長不得超出三等水準(zhǔn)對(duì)平原地區(qū)的要求（L 為閉合環(huán)長度，km），從而檢驗(yàn)觀測(cè)值是否可靠。最后再依據(jù)平差原理進(jìn)行相應(yīng)的平差。

不同長度的跨河水準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)不同的情況設(shè)計(jì)布網(wǎng)形式，本次試驗(yàn)選取淄博市淄川區(qū)太河水庫，大壩兩岸距離1 120 m，需布設(shè)三等水準(zhǔn)網(wǎng)，庫區(qū)的兩岸比較開闊，地形較為簡(jiǎn)單。

1）布網(wǎng)形式采用四邊形，如圖1。

2）在水庫的兩岸，分別布設(shè)短邊水準(zhǔn)線路AB﹑CD，并進(jìn)行嚴(yán)格的三等水準(zhǔn)觀測(cè)。

3）選點(diǎn)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行，點(diǎn)位應(yīng)便于安置接收設(shè)備，視野開闊，視場(chǎng)內(nèi)不應(yīng)有高度角≥15°的成片障礙物；點(diǎn)位距大功率無線電發(fā)射源的距離應(yīng)不小于400 m，距220 kV以上電力線路及大面積水域的距離應(yīng)不小于50 m。

4）在外業(yè)觀測(cè)前，應(yīng)進(jìn)行衛(wèi)星預(yù)報(bào)，以便選擇衛(wèi)星較好的時(shí)段進(jìn)行觀測(cè)。

5）觀測(cè)時(shí)，各站應(yīng)進(jìn)行同步觀測(cè)，每次初始化前應(yīng)刪去高度角≤20°的衛(wèi)星，但要保證使用衛(wèi)星有6顆以上（含6顆）。

6）觀測(cè)時(shí)，注意初始化時(shí)間，如果初始化時(shí)間較長（第一次初始化時(shí)間一般不會(huì)超過90 s，重新初始化時(shí)間一般只需幾秒到幾十秒），應(yīng)重新初始化。

7）量儀器高時(shí)，應(yīng)有2人配合操作，從天線互成120°的方向上量取3次，取平均值作為該站的儀器高，互差不得大于2 mm。

8）換站時(shí)，各站天線及三角架不動(dòng)，以便保證儀高量取的正確性。

9）擺站時(shí)，衛(wèi)星天線盡量架高。

10）基準(zhǔn)站輸入的三維坐標(biāo)應(yīng)逼近真值。

11）采集數(shù)字時(shí)，采用RTK自動(dòng)記錄。每擺一個(gè)基準(zhǔn)站，初始化5次，每次初始化記錄10個(gè)數(shù)據(jù)，共50個(gè)數(shù)據(jù)。

2.2 精度比較及成果分析

本次試驗(yàn)利用5臺(tái)RTK接收機(jī)在大橋進(jìn)行，歷時(shí)3 d，成果見表1（為便于比較，表中的高差值均采用絕對(duì)值）。

由表1所列的第一次觀測(cè)數(shù)據(jù)可知：HBA﹑HAC最大較差已經(jīng)超出RTK接收機(jī)標(biāo)稱精度的2倍限差±22 mm（按距離1 km算）。這可能與擺基準(zhǔn)站D時(shí)，高度角≤20°的衛(wèi)星未完全刪除等有關(guān)，而引起各流動(dòng)站的高差有一定的偏差。HAD的往返互差為20.4 mm也較大，略低于他的2倍限差。所以認(rèn)為：這與基準(zhǔn)站D設(shè)站時(shí)有關(guān)，該基準(zhǔn)站需重新觀測(cè)。為了能更進(jìn)一步檢核其結(jié)果，本課題組于次日對(duì)全部觀測(cè)進(jìn)行了重新觀測(cè)，成果列于表1。

表1 試驗(yàn)成果表

由第二次的觀測(cè)數(shù)據(jù)比較可知：這次各線段的高差互差值均小于儀器標(biāo)稱精度的2倍限差。從表1的比較數(shù)據(jù)可知：兩次觀測(cè)的BA﹑DC的往返高差平均值與三等水準(zhǔn)值相比均小于三等水準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)已測(cè)測(cè)段高差的差的要求各閉合差也滿足三等水準(zhǔn)對(duì)環(huán)線閉合差的要求：平原（見表2）。因此取第二次測(cè)得的往返數(shù)據(jù)進(jìn)行平差，結(jié)果見表3，按平差后的改正數(shù)計(jì)算單位權(quán)中誤差為±1.83 mm，達(dá)到三等精度。

表2 閉合差表

在上述平差結(jié)果中，平差結(jié)果HDC（47.9 mm）與DC的水準(zhǔn)值（45.8 mm）比較僅差 2.1 mm，HBA（212.4 mm）與BA的水準(zhǔn)值（217.2 mm）比較僅差4.8 mm。

表3 平差成果

綜上所述：通過采取一系列措施，這次RTK高程相對(duì)高差可以達(dá)到三等跨河水準(zhǔn)精度的要求。

3 結(jié)語

通過上述研究與試驗(yàn)表明：

1）選擇較好的衛(wèi)星時(shí)段，通過不同的布網(wǎng)形式，采取一定的措施，在地形較簡(jiǎn)單的地區(qū)，RTK相對(duì)高差是可以達(dá)到三等跨河水準(zhǔn)精度要求的。

2）布網(wǎng)時(shí)，根據(jù)觀測(cè)等級(jí)及跨河寬度的不同，可采用四邊網(wǎng)或三邊網(wǎng)。

3）采用RTK技術(shù)做跨河水準(zhǔn)，應(yīng)在河的兩岸進(jìn)行相應(yīng)等級(jí)的水準(zhǔn)觀測(cè)，作為跨河水準(zhǔn)的依據(jù)。

4）實(shí)驗(yàn)中，由于經(jīng)驗(yàn)缺乏，對(duì)影響RTK的實(shí)時(shí)解算精度的部分因素不夠清晰，實(shí)施原則需完善。

5）RTK高程相對(duì)高差代替跨河水準(zhǔn)的有效距離應(yīng)有最大、最小限制。