芻議如何提高RTK測量精度

郭術(shù)輝

摘 要：實時動態(tài)定位（RTK）技術(shù)是GPS測量技術(shù)的一個重要突破。分析了影響RTK測量精度的誤差因素，并針對這些因素，結(jié)合實例，提出了應(yīng)對措施，為RTK技術(shù)的擴展提供了參考。

關(guān)鍵詞：RTK；精度；誤差；措施

引言

近年來，GPS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測量和控制測量等領(lǐng)域，例如橋梁或建筑的形變監(jiān)測、沉降監(jiān)測等方面的高精度測量。但是隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，工程測量領(lǐng)域也愈加復(fù)雜，常規(guī)的GPS靜態(tài)測量難以滿足當(dāng)前的需求，如施工放樣測量、地形及地籍變更測量等都對GPS的實時測量提出了更高的要求。實時動態(tài)測量技術(shù)（RTK）將GPS技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)結(jié)合，利用載波相位觀測實現(xiàn)了動態(tài)的實時差分定位，可以實時提供測站點的定位數(shù)據(jù)。該技術(shù)設(shè)置有基準站GPS接收機，對GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動站GPS接收機。同時，移動站上的GPS接收機還會接收到GPS衛(wèi)星的載波相位數(shù)據(jù)。這兩組數(shù)據(jù)間存在相位差分，通過相對定位原理進而計算出移動站的實時三維坐標。對于高質(zhì)量的RTK一次可以完成直徑10km的測量區(qū)域，作業(yè)效率非常高，并其定位精度較高，可達厘米級。但是，RTK在實際測量時，電離層等會對GPS衛(wèi)星信號造成干擾，導(dǎo)致RTK測量初始化時間長，甚至不能初始化，限制了RTK測量精度。另外，在野外作業(yè)中，外界高大建筑、高頻信號等都會干擾數(shù)據(jù)信號的傳輸，造成信號衰減，嚴重影響RTK的測量精度和區(qū)域范圍。

1 RTK測量精度的影響因素

影響RTK測量精度的因素主要可以分為以下兩個方面，即與測站和測量條件有關(guān)的測量誤差，以及數(shù)據(jù)處理誤差。

1.1 測量誤差

由于GPS衛(wèi)星的空間組成和信號強度設(shè)計的限制，在地球中、低緯度地區(qū)每天會出現(xiàn)30min左右的盲區(qū)，這會給RTK測量帶來一定的衛(wèi)星鐘誤差。此外，對于接收機設(shè)備，內(nèi)部噪聲干擾、天線相位中心變化、通道延遲、接收機鐘差和位置誤差、多路徑效應(yīng)等都會顯著影響RTK的測量精度。

在RTK實際測量中，測站和移動站周圍測量環(huán)境、氣象因素（電離層和對流層）以及移動站與基準站的間距等測量條件因素都對RTK測量精度造成不同程度的影響。例如，當(dāng)GPS接收機天線周圍存在高大建筑物或大面積水域時，會對電磁波產(chǎn)生高強度的反射，反射的電磁波與衛(wèi)星發(fā)射的信號發(fā)生疊加，當(dāng)被接收機接收時會造成多路徑定位誤差，其誤差達1-5cm，甚至10cm以上，這將對RTK測量精度產(chǎn)生嚴重影響。在RTK測量中，基準站通常采用頻率410-420MHz、波長72cm的差分信號將觀測數(shù)據(jù)傳輸給移動站，這種電磁波信號的最大傳輸距離收到接收天線高度、地球曲率半徑及大氣折射等因素的影響。在平原等開闊區(qū)域，RTK定位精度較高，而在城市、山區(qū)和森林等地區(qū)，信號遮擋和屏蔽嚴重，會導(dǎo)致信號衰減和失鎖，從而造成接收站不能連續(xù)可靠的接收來自基準站的差分信號，降低了RTK測量精度，嚴重時會無法進行RTK測量。對于電離層，其在白天干擾較大，使得可共用的GPS衛(wèi)星較少，導(dǎo)致RTK初始化時間延長，不過其影響一般小于5×10-6D，通過差分技術(shù)可以大部分消除。此外，移動站與基準站的間距也會造成一定的軌道誤差，誤差一般達幾米，并且隨二者間距的增大而增加。

1.2 數(shù)據(jù)處理誤差

最常見的數(shù)據(jù)處理誤差包括：坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換誤差、數(shù)學(xué)模型誤差、模糊度解算誤差、差分信號調(diào)制解調(diào)誤差等。其中，以坐標轉(zhuǎn)換誤差和整周模糊值（即初始化）誤差的影響較為突出。

對于整周模糊值，其主要是受到電離層強度的影響，這會影響GPS衛(wèi)星信號到達基準站和移動站的時間，并且基線越大，影響程度越大，嚴重時會造成信號失鎖，從而大大延長確定整周模糊值的觀測時間。對于坐標轉(zhuǎn)換誤差，其影響因素主要有控制點的點位誤差、RTK點與控制點構(gòu)成區(qū)域的相對位置以及坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算模型這幾個方面。以坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算模型為例，有研究分別采用布爾沙模型和簡化布爾沙模型進行七參數(shù)計算和四參數(shù)計算，用來分析坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的誤差對某平原地區(qū)RTK測量結(jié)果的影響。當(dāng)以YJ10、YJ08、YJ06和YJ05四個建模點構(gòu)成一個區(qū)域，進行七參數(shù)計算，將區(qū)域外的HBYJ11和HBYJ22兩個點GPS坐標轉(zhuǎn)換，坐標轉(zhuǎn)換誤差mx=±0.012m；my=±0.010m；mh=±0.005m。計算結(jié)果表明，當(dāng)區(qū)域外距離不大于3km時，七參數(shù)可以外推應(yīng)用，RTK高程誤差不大于5cm，并可滿足1∶2000比例尺圖根點的精度要求。而以YJ08和YJ06作為建模點，兩點構(gòu)成一條4km的線段，進行四參數(shù)計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在YJ08、YJ06線段的延長方向0.7km，在YJ08、YJ06線段的兩側(cè)，最遠點1.7km，RTK高程較差不大于5cm。以上分析說明，不同的坐標轉(zhuǎn)換計算模型用于RTK測量，其適用范圍會有所不同，需要根據(jù)實際測量情況適當(dāng)選擇，以保證其測量精度。

2 提高RKT測量精度的措施

對于影響RTK測量精度的各種誤差，可以采用各種校正方法或有效的改進措施予以削弱，例如，采用求差法降低了載波相位測量改正后的的殘余誤差及接收機鐘差和衛(wèi)星改正后的殘余誤差等因素的影響。對于與坐標轉(zhuǎn)換有關(guān)的數(shù)據(jù)處理誤差，應(yīng)合理設(shè)置已知控制點的精度和密度，一般視測區(qū)內(nèi)設(shè)置3-6個基準點即可，同時，還應(yīng)采取不同基準點的匹配方案，用不同的計算方法求得坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，經(jīng)對比選出殘差較小、精度較高的參數(shù)。

另外，GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號被基準站和移動站的接收機接收，中間要經(jīng)過電離層、對流層等多方面的干擾，影響GPS的信號接收質(zhì)量，因此，非常有必要對基準站和移動站的安裝位置、間距等參數(shù)進行合理設(shè)置。具體的措施闡述如下：

首先，基準站和移動站應(yīng)該遠離微波站、尋呼臺發(fā)射塔、變電站、高壓線、電視臺等強電磁干擾源，消除干擾差分信號正常發(fā)射的因素。其次，接收站周圍應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大面積水域、大型建筑等面積較大的電磁波反射物，以消除多路徑誤差的影響。此外，基準站和移動站的天線應(yīng)盡量架設(shè)在較高的位置，以減少周圍高層建筑、高山等物體對傳輸信號的遮擋，消除信號衰減等因素的影響。同時，由于隨基準站和移動站間距的增大，RTK點位精度越不可靠，因此當(dāng)二者距離較遠時，也應(yīng)盡可能的增加天線的高度，以提高電臺的傳輸距離。最后，在RTK測量時需要先進行初始化，獲得固定的整周模糊度，才能進行測量。由上面分析知道，白天電離層干擾大，可用GPS衛(wèi)星較少，可能造成初始化失敗，因此應(yīng)該避開中午時段進行測量，同時為了保證接收機的可靠接收數(shù)據(jù)，每次施工間隙后再次作業(yè)，都需要重新開關(guān)機初始化，并自檢或互檢。

3 結(jié)束語

為了進一步提高RTK測量的精度和可靠性，2010年起，GPS系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星由24顆增加到30顆，另外GNSS多衛(wèi)星系統(tǒng)儀器近幾年開始使用，這種多衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用可在相當(dāng)程度上解決GPS的局限性。另外，在數(shù)據(jù)處理方面，需要針對多路徑、電離層、對流層等誤差因素建立新的補償和計算模型，以拓展RTK的應(yīng)用。

參考文獻

[1]王曉，高偉，張帥.GPS-RTK測量精度的影響因素研究與實驗分析[J].全球定位系統(tǒng)，2010，4：26-30.

[2]潘寶玉，張西恩，李宏偉.提高RTK測量成果精度的技術(shù)關(guān)鍵[J].地礦測繪，2003，19：1-3.

[3]邸國輝，劉幼華，陳漢文.RTK測量的精度和可靠性分析[J]地理空間信息，2007，5：8-11.

[4]孫斌，暢毅，石礦林，等.影響RTK作業(yè)質(zhì)量的因素及其應(yīng)對措施[J].物探裝備，2011，21：191-197.