利用GPS—RTK技術提高測量精度的研究

萬平平 葉廣林 付東海

摘要：GPS-RTK定位技術，因其直觀快捷、實時性強、點位誤差不累積等優(yōu)點在測繪生產(chǎn)中得到了普遍的使用。本文主要探討了GPS-RTK定位技術的測量精度及影響測量精度的幾大因素。

關鍵詞：GPS-RTK；測量精度；影響因素

一、GPS-RTK測量的原理及觀測方法

動態(tài)GPS（RTK）測量是以基準站為中心，其它流動站（或稱為移動站）相對基準站的相對定位。GPS使用的是WGS-84坐標系，而生產(chǎn)中往往使用的是國家坐標系或地方坐標系（以下簡稱測區(qū)坐標系）。因為坐標系的不同，必須先求其轉(zhuǎn)化參數(shù)，才能得到所需坐標系的坐標。測量時，基準站的一系列數(shù)據(jù)為已知數(shù)據(jù)，基準站和各流動站同時對同一組衛(wèi)星進行觀測，觀測后基準站及時把所觀測的信息及已知數(shù)據(jù)通過無線電波分別傳送至各流動站，各流動站在收到基準站數(shù)據(jù)的同時，迅速進行基線解算、平差、坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，最后顯示所測點的測區(qū)坐標。應用這一原理，GPS-RTK可以及時準確的測得每一待測點的坐標。

GPS-RTK測量首先要通過4個以上點的WGS2-84坐標和測區(qū)坐標系坐標，計算本測區(qū)的各項轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)直接關系到測量成果的準確性。因此，計算轉(zhuǎn)換參數(shù)時要認真仔細。然后，選擇基準站的架設位置，基準站應架設在測區(qū)中央周圍無遮擋物的已知點上，此時，即可啟動基準站開始測量。流動站到達待測點后開機，等待接收機初始化，初始化完成后，即開始測量。接收機接收到所設定的歷元數(shù)后，這一點的測量過程即完成，顯示該點的三維坐標。其它各點的測量重復進行即可，直至所有點觀測完成。

二、GPS-RTK測量精度分析

GPS-RTK測量平面和高程精度統(tǒng)計：

（1）在某工程中GPS-RTK測量成果與已知點成果比較：（單位：m）見表1

（2）不同基站或不同時段重復測量成果比較表：

其中最大值為6.1cm，點位較差中誤差：M⊿=0.028/-0.028。

（3）通視點間坐標反算邊長與全站儀實測邊長比較表：

其中最大值為5.4cm，邊長中誤差：Ms=0.018/-0.018。

（4）GPS-RTK測量高程與四等水準高程較差表：

其中最大值5.8cm，高程較差中誤差：Mh=0.014/-0.014。

從以上各表可以得出：GPS-RTK測量成果與已知點的比較，點位中誤差為0.028/-0.028，重復測量較差全部在7.25cm內(nèi)，較差中誤差為2.4cm/-2.4cm，故GPS-RTK測量成果能夠達到最弱點位誤差土5cm/-5cm的精度要求；反算邊長與全站儀實測邊長90%在2cm之內(nèi)，邊長中誤差為1.8cm/-1.8cm；GPS-RTK測量高程與四等水準高程較差中誤差為1.4cm/-1.4cm。

三、影響GPS-RTK測量的精度的因素

1轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響

計算轉(zhuǎn)換參數(shù)所選擇的點要均勻分布于測區(qū)四周，并且要多選擇幾組進行計算分析，避免出現(xiàn)粗差和錯誤合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS-84和北京54坐標（或地方獨立坐標）以及高程的公共點，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，為RTK測量作好準備。選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)時注意以下幾個問題。

（1）要選測區(qū)四周及中心的控制點，均勻分布。為提高轉(zhuǎn)化精度，最好選3個以上的公共點，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（2）在GPS-RTK作業(yè)前，一般情況下已布好本區(qū)GPS基礎控制，根據(jù)內(nèi)業(yè)計算得到各個控制點的WGS-84坐標和當?shù)刈鴺耍趦?nèi)業(yè)計算得到坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，直接將參數(shù)輸人RTK控制手簿，這種方法算得的參數(shù)較準確。

（3）在有國家控制點高斯坐標無GPS控制資料的情況下，可以利用流動站在控制點現(xiàn)場逐點進行WGS-84定位測量，觀測時間不少于5min，當不少于三點測量完成后，即可利用控制手簿解算出坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，并利用坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)將WGS-84坐標自動轉(zhuǎn)換為北京54坐標。2、測量作業(yè)的控制區(qū)域的影響

測量作業(yè)范圍受轉(zhuǎn)換控制點的約束，一般應在轉(zhuǎn)換控制點的控制圓區(qū)域內(nèi)作業(yè)，否則測量精度就大受影響。

3、衛(wèi)星信號的影響

GPS是通過衛(wèi)星來定位的，衛(wèi)星信號的接收是GPS定位的基礎。由于衛(wèi)星分布隨時間變化而變化，不同時段衛(wèi)星數(shù)量和位置都不同。在衛(wèi)星數(shù)量較多和位置圖形較佳時，天線接收信號較好，初始化時間就短，精度較高；反之，即使天空中有足夠的衛(wèi)星，但由于基準站和流動站沒能同時接收到足夠的衛(wèi)星信號，使初始化時間很長，測量精度很差，甚至不能解算出固定解。同時，由于基準站或流動站選擇位置不當，會使部分衛(wèi)星信號被高樓等建筑物阻擋，出現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)量不足；或衛(wèi)星信號被周圍物體反射再接收而產(chǎn)生“多路徑效應”，使測量出現(xiàn)錯誤。

4、GPS-RTK主要儀器設備的影響

（1）基準站的影響

基準站設置不在測區(qū)中央，周圍有干擾衛(wèi)星信號和無線電波發(fā)射的物體存在等，這些將直接影響觀測成果的精度。

①設站時要限制最大衛(wèi)星使用數(shù)。一般為8顆，如果太多，則影響作業(yè)距離；太少，則影響RTK初始化和PDOP值。

②如果不使用七參數(shù)，則在設置基準站時要使WGS-84坐標系處于關閉狀態(tài)；如果使用七參數(shù)，則△X、△Y、△Z絕對值都小于100m較好，否則重新評估檢查起算點。

③為避免多次手工輸入基準站坐標產(chǎn)生的錯誤，基準站坐標要在室內(nèi)盡量上傳到內(nèi)存卡，野外設站時直接從內(nèi)存卡中調(diào)出坐標即可，遠離高壓線。

（2）RTK流動站方式影響

流動站一般有對中桿和三腳架兩種方式。使用對中桿方便，但天線不固定，精度起伏大；使用三腳架稍繁瑣，但精度穩(wěn)定。

（3）電源的影響

如果電量不足，不但影響衛(wèi)星信號和無線電數(shù)據(jù)的接收，產(chǎn)生不可靠的坐標數(shù)據(jù)，甚至可能無法開展RTK測量。當對某個量進行重復觀測時就會發(fā)現(xiàn)。這些測量值之間往往存在一些差異。

四、提高RTK作業(yè)精度的方法及應用

（1）正確設置測量系統(tǒng)參數(shù)

RTK作業(yè)前，依據(jù)本測區(qū)控制資料的參數(shù)進行系統(tǒng)設置，包括橢球參數(shù)、中央子午線和投影高。對采用國家坐標系統(tǒng)的測區(qū)來說，采用單點校正模式并設置投影高，其定位精度可以達到5cm以內(nèi)，能滿足大部分測繪工作的精度需求。

（2）選擇理想地架設基準站

基準站應選擇在視野開闊、仰角15度范圍內(nèi)沒有阻擋衛(wèi)星信號的障礙物、應避免鄰近有大面積的平靜水域、周圍無大功率電塔及通信設備的測區(qū)相對高處?；鶞收緫獓栏駥χ姓剑瑑x器高采用鋼卷尺在儀器的三個方向上量取三次取平均值后使用；且發(fā)射天線與GPS接收機天線不應相距太近，最好在3米以上。

①盡量選擇再開闊的地方設站，凈空狀況良好。截止高度角應超過15度；盡量避開信號反射物（大面積水域、大型建筑物，強反射路面等），以減少多路徑效應的十擾。要遠離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源200m外，要遠離高壓輸電線路、通信線路50m外。

②電臺天線要盡量高。如果距離較遠，要使用增高天線。電源電量要充足，否則會影響作業(yè)距離。

（3）合理利用移動站不同的解算精度

確保移動站標桿立直是提高定位精度的重要途徑，對于圖根點測量應架設腳架以提高測量精度。同時移動站解算的不同狀態(tài)體現(xiàn)了不同的精度范圍，合理使用可達到事半功倍的效果。

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