GPS—RTK精度控制方法的研究

【摘要】RTK技術(shù)是一種能夠?qū)崟r(shí)得到厘米級(jí)定位精度的GPS測(cè)量動(dòng)態(tài)方法，RTK測(cè)量成果的精確度該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。本文介紹了RTK的基本工作原理，分析了影響RTK定位成果精度的幾個(gè)方面因素，并提出相應(yīng)的精度控制的具體方法。

【關(guān)鍵詞】GPS；RTK；精度；控制

1.RTK的基本原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)RTK（Real - time kinematic）是依據(jù)GPS相對(duì)定位理論，在已知坐標(biāo)的固定點(diǎn)上設(shè)基準(zhǔn)站，用一臺(tái)GPS接收機(jī)來接收衛(wèi)星信號(hào)；在待測(cè)點(diǎn)（可以是靜止?fàn)顟B(tài)也可以是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）上設(shè)流動(dòng)站，架設(shè)另一臺(tái)接收機(jī)，使其與基準(zhǔn)站接收機(jī)同步采集同一衛(wèi)星信號(hào)?；鶞?zhǔn)站在接收到信號(hào)后對(duì)載波進(jìn)行相位測(cè)量，并將觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)、測(cè)站坐標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁髁鲃?dòng)站；流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)并且采集GPS數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)差分計(jì)算、實(shí)時(shí)處理，得到坐標(biāo)、高程及實(shí)測(cè)精度，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位。RTK測(cè)量的定位精度可達(dá)米級(jí)、甚至厘米級(jí)，但影響定位精度的因素很多，測(cè)量過程一旦疏忽，測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度就很難保證，甚至可能出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)果。

2.影響RTK定位成果精度的因素

2.1衛(wèi)星信號(hào)的影響

進(jìn)行RTK作業(yè)時(shí)，對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星圖形強(qiáng)度要求很高。在坐標(biāo)解算過程中，接收衛(wèi)星數(shù)量越多、衛(wèi)星分布位置越好（即PDOP值越?。渚群涂煽啃圆拍鼙ＷC。通常，當(dāng)接收衛(wèi)星數(shù)達(dá)到5顆或以上且PDOP值小于6時(shí)，適宜開展RTK作業(yè)。此外，GPS信號(hào)在通過電離層和對(duì)流層會(huì)對(duì)其造成反射和折射等不良影響，導(dǎo)致信號(hào)的相位、振幅發(fā)生變化，出現(xiàn)測(cè)量誤差。

2.2基準(zhǔn)站的影響

基準(zhǔn)站架設(shè)地點(diǎn)不同，所獲得的RTK測(cè)量結(jié)果也不盡相同。如果基準(zhǔn)站沒有設(shè)在測(cè)區(qū)的中心區(qū)域，并且周圍存在干擾源或無線電裝置等，都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精度。同時(shí)，基準(zhǔn)站的儀器安置及天線高的測(cè)量方式、參數(shù)設(shè)置等因素，也是影響測(cè)程的關(guān)鍵因素。

2.3轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響

接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得出的是地心坐標(biāo)系（WGS-84）坐標(biāo)，而我國(guó)工程測(cè)繪中常用的是地方坐標(biāo)系的平面直角坐標(biāo)（北京54坐標(biāo)、西安80坐標(biāo)），其高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。[1]因此，在開始RTK測(cè)量前，要首先計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度將直接決定RTK測(cè)量成果的精確度。

2.4流動(dòng)站的影響

RTK測(cè)量時(shí)，基準(zhǔn)站需要將差分信號(hào)通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)傳送給流動(dòng)站，因此流動(dòng)站能否連續(xù)且可靠地接收信號(hào)，是測(cè)量成功與否的關(guān)鍵因素。在信號(hào)傳輸過程，受觀測(cè)條件、信號(hào)源的影響（包括衛(wèi)星分布狀況、電離層和對(duì)流層影響、數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)通訊距離、對(duì)空通視條件等），所測(cè)數(shù)據(jù)都有出現(xiàn)誤差的可能。[2]

3.RTK精度控制的方法

3.1作業(yè)半徑和作業(yè)時(shí)段的選擇

使用RTK作業(yè)前，必須先確定其有效作業(yè)半徑（由基準(zhǔn)站電臺(tái)信號(hào)的傳輸距離決定），要盡量保證實(shí)際作業(yè)半徑小于有效作業(yè)半徑的2/3倍。在RTK數(shù)據(jù)鏈的傳輸過程中，受遮擋物阻礙和其他高頻信號(hào)干擾影響，被傳輸信號(hào)逐漸衰減，因此影響到測(cè)量精準(zhǔn)度。如果確定信號(hào)在傳輸時(shí)受到極大影響導(dǎo)致衰減嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)具體情況減小實(shí)際作業(yè)半徑，以保證測(cè)量值的精確度和測(cè)量效率。觀測(cè)時(shí)間要盡量避開三維定位精度因子PDOP值較大的時(shí)段，防止出現(xiàn)粗差。一般午間12：00～14：00時(shí)段的PDOP值偏大且電離層干擾大，RTK測(cè)量不精準(zhǔn)，不宜作業(yè)。選擇合適的時(shí)段測(cè)量，RTK的精確性和可靠性都能保證，工作效率也會(huì)提升。

3.2基準(zhǔn)站的設(shè)置

GPS信號(hào)由處在兩萬多千米高空的衛(wèi)星發(fā)射出來，其信號(hào)經(jīng)過電離層、對(duì)流層以及近地面的障礙、干擾源等多方面干擾，信號(hào)強(qiáng)度衰減嚴(yán)重。因此，信號(hào)的接收質(zhì)量與基準(zhǔn)站位置息息相關(guān)?；鶞?zhǔn)站的設(shè)置首先要本著“站點(diǎn)越少越好，與流動(dòng)站距離越短越好”的原則。其次，基準(zhǔn)站要選擇遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁干擾源（高壓線、電視臺(tái)、變電站、無線電發(fā)射源、雷達(dá)裝置等）、周圍無大型建筑物或大面積水域等信號(hào)反射物的地點(diǎn)，以避免電磁波干擾并減少多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生。再次，基準(zhǔn)站天線要盡量架設(shè)在測(cè)區(qū)中央的開闊并且地勢(shì)較高處，并且基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的天線之間也同樣要保證路徑暢通、沒有高大建筑物或山脈等障礙，使信號(hào)能從基準(zhǔn)站通過各種傳播方式有效到達(dá)流動(dòng)站，以保證信號(hào)接收質(zhì)量和數(shù)據(jù)鏈傳輸距離。

3.3轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解

轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于測(cè)量成果的影響非常大，轉(zhuǎn)換參數(shù)誤差過大，再精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)也不能得出精確的RTK測(cè)量結(jié)果。轉(zhuǎn)換參數(shù)求解過程要注意以下三點(diǎn)：1）求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，已知控制點(diǎn)的精密度、分布情況等將直接影響所求解的精準(zhǔn)。因此，在選擇已知點(diǎn)時(shí)，要首選精度更高、分布位置更好且能涉及整個(gè)區(qū)域的點(diǎn)。如果測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)不足，最好要設(shè)置轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)，使用靜態(tài)方式共同測(cè)量，對(duì)各坐標(biāo)進(jìn)行平差處理。2）測(cè)區(qū)面積在25km2～30km2時(shí)，采用四參數(shù)法求轉(zhuǎn)換參數(shù)；當(dāng)面積超過50km2時(shí)，就必須采用七參數(shù)法求解。3）使用靜態(tài)GPS或動(dòng)態(tài)GPS-RTK采集的基準(zhǔn)站坐標(biāo)要進(jìn)行檢核，將幾次測(cè)量結(jié)果相比較，確定最佳轉(zhuǎn)換參數(shù)，避免粗差和錯(cuò)誤。[3]

3.4流動(dòng)站的控制

流動(dòng)站在選擇控制點(diǎn)時(shí)，與基準(zhǔn)站選點(diǎn)原則一致，應(yīng)選取地形開闊、不具反射面、沒有大功率干擾源的位置，避免不良因素對(duì)流動(dòng)站接收衛(wèi)星信號(hào)的影響，并保證數(shù)據(jù)鏈通訊路徑的暢通。在進(jìn)行控制點(diǎn)的測(cè)量時(shí)，最好使用三腳架（或者是帶支架的對(duì)中桿），以保證在控制點(diǎn)上以靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)方式置平，避免載體瞬時(shí)姿態(tài)改正精度；一般測(cè)量過程可以使用中桿，但要盡量保證操作規(guī)范，使對(duì)中桿的氣泡居中，這樣才能使精度穩(wěn)定。

3.5多基站及重復(fù)測(cè)量

要確保RTK測(cè)量成果的精確性和可靠性，可在同一區(qū)域內(nèi)多建立幾個(gè)基站，統(tǒng)一求出其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和各基站的WGS-84坐標(biāo)。RTK的作業(yè)過程中，可用幾個(gè)基站分別測(cè)量同一個(gè)待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過求平均值得出更精準(zhǔn)的坐標(biāo)。RTK測(cè)量的定位過程，有時(shí)會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩氐母蓴_導(dǎo)致出現(xiàn)粗差或假值，最終影響數(shù)據(jù)成果的精準(zhǔn)性，這就要求我們要通過重復(fù)觀測(cè)來提高點(diǎn)位精度。通常情況下，我們?cè)谕豢刂泣c(diǎn)測(cè)兩次，并且重新求解其整周模糊度，作兩次收斂，兩次坐標(biāo)值的差≤±3cm時(shí)，其平均值即可作為該點(diǎn)測(cè)量的結(jié)果。[4]

4.結(jié)論

通過筆者以上對(duì)影響RTK定位成果精度因素的分析以及其精度控制的方法研究，能夠得出以下結(jié)論：在GPS-RTK實(shí)測(cè)中，測(cè)量結(jié)果的精確度會(huì)受到諸多條件的制約，但只要我們采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砜刂聘黜?xiàng)誤差并選擇最佳的作業(yè)方法，并且加強(qiáng)測(cè)量成果的復(fù)核，各種不良因素的影響可以被減小甚至消除，以保證GPS-RTK的測(cè)量結(jié)果精度和可靠度，并且可以達(dá)到相當(dāng)高的精準(zhǔn)性，可以滿足各種測(cè)量規(guī)范、規(guī)程的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]林志江，許滿興.關(guān)于提高GPS-RTK測(cè)點(diǎn)精度和可靠性的探討[J].山西建筑，2009（28）.

[2]王勉.GPS RTK工程測(cè)量精度影響因素的探討[J].科技傳播， 2011（7）.

[3]王慶峰.提高RTK測(cè)量精度的方法探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2013（01）.