GPS RTK工程測(cè)量精度影響因素的探討

慶先華

摘 要：GPS RTK 技術(shù)在測(cè)繪生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用，其具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、直觀快捷、點(diǎn)位誤差不累積等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是定位精確度受多種因素制約。本文就GPS RTK工程測(cè)量精度影響因素進(jìn)行探討，并且提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，以確保測(cè)量的精度。

關(guān)鍵詞：GPS RTK；精度；影響因素；優(yōu)化措施

GPS RTK 技術(shù)是 GPS 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展分支，其具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、直觀快捷、點(diǎn)位誤差不累積等優(yōu)點(diǎn)，所以在測(cè)量工程中得到了廣泛的運(yùn)用，但是影響GPS RTK 定位精度的因素有很多方面，如果忽視其中一方面，或是不重視這些因素，測(cè)量的結(jié)果就會(huì)存在很大的誤差。筆者結(jié)合自身多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)RTK 測(cè)量精度的影響因素進(jìn)行分析和探討，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，希望可以提高RTK 測(cè)量精度，以滿足工程測(cè)量的需求。

1、GPS RTK 測(cè)量的原理及誤差分析

RTK 定位技術(shù)是以基準(zhǔn)站為測(cè)量的中心，其他移動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站進(jìn)行定位，并且是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。在測(cè)繪的過(guò)程中，兩臺(tái)GPS 接收機(jī)之間需要用一套無(wú)線數(shù)字通訊系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸?；鶞?zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)將觀測(cè)信息和數(shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)站，然后移動(dòng)站將這些信號(hào)進(jìn)行差分處理，得出兩站之間的基線值，并且要輸入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)，最后才能測(cè)量出測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

實(shí)時(shí) GPS 系統(tǒng)主要是由GPS 信號(hào)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)三個(gè)部分組成，同樣地，在GPS RTK 定位過(guò)程中存在著三部分的誤差：第一部分誤差主要有衛(wèi)星圖形、GPS 衛(wèi)星星數(shù)、大氣狀況、星歷誤差、對(duì)流層誤差、電離層誤差、傳播延遲誤差、衛(wèi)星鐘誤差等等，其中有些因素用戶無(wú)法控制，但是像衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差這些因素可以用差分技術(shù)將其消除，像電離層誤差、對(duì)流層誤差、傳播延遲誤差只能是將其消除大部分，而剩余的誤差則與移動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間的距離有關(guān)，即距離越大，誤差越大。第二部分誤差來(lái)自RTK 系統(tǒng)，比如內(nèi)部噪聲、天線相位中心變化、數(shù)據(jù)鏈、通道延遲軌道誤差、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)位置誤差、信號(hào)干擾、天線類型和處理軟件。第三部分誤差來(lái)自于基準(zhǔn)站轉(zhuǎn)換誤差，比如：大地水準(zhǔn)面差距的內(nèi)捕誤差、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差、已知控制點(diǎn)的誤差，這些誤差要選用嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換模型和高質(zhì)量的起算數(shù)據(jù)，還要用檢核的方法進(jìn)行精度的驗(yàn)算。

2、控制點(diǎn)內(nèi)在精度對(duì) RTK 的影響分析

通常情況下，我們使用的坐標(biāo)系是北京 54 坐標(biāo)系或西安 80 坐標(biāo)系，而GPS 直接測(cè)量出的是 WGS-84 坐標(biāo)，所以對(duì)于最后的測(cè)量結(jié)果，我們還要將其轉(zhuǎn)換為我們需要的坐標(biāo)。我們采用的軟件是將平面和高程分別轉(zhuǎn)換的，平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法是將GPS的測(cè)量結(jié)果頭影城平面坐標(biāo)，然后用已知的控制點(diǎn)對(duì)二維相似變換的四參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。而高程坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換方法是先用平面擬合或二次曲面擬合模型，然后利用已知的水準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算出測(cè)區(qū)的待測(cè)點(diǎn)的高程異常，最后求出它們的高程即可。

為了能夠提高精度，在測(cè)量過(guò)程中要盡可能地做到以下幾點(diǎn)：1）確保有足夠數(shù)量的控制點(diǎn)。通常來(lái)說(shuō)，為了確保擬合精度，平面控制點(diǎn)最起碼要有3個(gè)，高程控制點(diǎn)根據(jù)地形地貌等條件，要求不少于4個(gè)；2）確?？刂泣c(diǎn)的有效性和合理性。有效性即控制點(diǎn)的控制范圍要能夠覆蓋到整個(gè)測(cè)區(qū)，合理性即控制點(diǎn)的分布要滿足均勻分布在測(cè)區(qū)周圍；3）確?？刂泣c(diǎn)的精確度?？刂泣c(diǎn)本身要具有很高的精度，并且控制點(diǎn)要能夠相互關(guān)系精確的WGS84 坐標(biāo)和測(cè)區(qū)坐標(biāo)，這樣才能保證在轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、GPS RTK 外業(yè)觀測(cè)方法對(duì)精度的影響

3.1 基準(zhǔn)站

基準(zhǔn)站的位置對(duì)GPS RTK 的測(cè)量精度有一定的影響，對(duì)此，我們做了一個(gè)試驗(yàn)，將基準(zhǔn)站分別架設(shè)在測(cè)區(qū)的中間和一端，然后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。下面是兩種情況下的數(shù)據(jù)信息，平面坐標(biāo)為一級(jí) GPS 靜態(tài)平差數(shù)據(jù) ，高程為四等水準(zhǔn)高程，其中C 為一級(jí)GPS 靜態(tài)平差數(shù)據(jù)。各點(diǎn)的位置如下圖表示：

根據(jù)上面的表我們可以得出結(jié)論：當(dāng)基準(zhǔn)站架設(shè)在測(cè)區(qū)中央的時(shí)候，誤差分布較小并且均勻，當(dāng)基準(zhǔn)站架設(shè)在測(cè)區(qū)一端的時(shí)候，與基準(zhǔn)站的距離越遠(yuǎn)，其移動(dòng)站測(cè)量的結(jié)果誤差越大。

3.2 移動(dòng)站

移動(dòng)站是實(shí)時(shí)的差分計(jì)算，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站通過(guò)發(fā)射電臺(tái)將載波相位信號(hào)發(fā)給移動(dòng)站，移動(dòng)站在接收基準(zhǔn)站發(fā)射出來(lái)的信號(hào)之外還要接收衛(wèi)星信號(hào)。在接收這兩種信號(hào)的前提下，移動(dòng)站可以利用固化軟件進(jìn)行差分計(jì)算，以確定基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的位置關(guān)系。在整個(gè)過(guò)程中，觀測(cè)條件和信號(hào)源等因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，這就造成測(cè)量結(jié)果的誤差。在實(shí)際的工程測(cè)量中，我們不斷嘗試，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，目前總結(jié)出了一些優(yōu)化方法，來(lái)彌補(bǔ)目前的GPS 技術(shù)的缺陷，以提高GPS 技術(shù)的測(cè)繪精度。具體方法有：1）盡可能地將基準(zhǔn)站架設(shè)在較高的位置；2）嚴(yán)格控制控制點(diǎn)的距離，使其滿足控制點(diǎn)間距小于RTK 有效作業(yè)半徑的 2/ 3 倍；3）同一個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)，在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)多設(shè)一些控制點(diǎn)；4）提前掌握測(cè)區(qū)的衛(wèi)星分布情況，可以通過(guò)星歷文件進(jìn)行了解，避免控制點(diǎn)設(shè)置在衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)和中午電離層干擾大的區(qū)域；5）如果測(cè)區(qū)是植被茂盛的地區(qū)，可以將常規(guī)方法和GPS 技術(shù)相結(jié)合的手段來(lái)彌補(bǔ)環(huán)境的不足。

4、RTK 測(cè)量成果的質(zhì)量控制

根據(jù)以上內(nèi)容可知，影響RTK技術(shù)測(cè)量精度的因素主要分為內(nèi)在因素和外在因素兩種。要想提高測(cè)量精度，必須要對(duì)RTK 測(cè)量進(jìn)行質(zhì)量控制。結(jié)合筆者在外業(yè)測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)，提出了以下幾個(gè)控制RTK 質(zhì)量的方法：

1）以較高等級(jí)的點(diǎn)作為儀器校正的試點(diǎn)，之后再對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，縮短基線距離，對(duì)儀器高和流動(dòng)站高進(jìn)行精確地測(cè)量，選擇最優(yōu)的衛(wèi)星分布方案，降低多路徑誤差和對(duì)流層延遲誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

2）在測(cè)量之前要先對(duì)前一天的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量比較。在初始化成功之后，要重新測(cè)量1個(gè)或者是2個(gè)已經(jīng)測(cè)量過(guò)的RTK 點(diǎn)，在確保測(cè)量結(jié)果沒有錯(cuò)誤之后再進(jìn)行新的測(cè)量工作；

3）對(duì)于已知點(diǎn)的布設(shè)要參考測(cè)區(qū)似大地水準(zhǔn)面變化情況。不同的測(cè)區(qū)對(duì)應(yīng)著不同的擬合模型，另外還要檢核已知點(diǎn)，從而降低已知點(diǎn)精度低所造成的損失；

4）均勻分布聯(lián)測(cè)的幾何水準(zhǔn)的點(diǎn)位，并且要在測(cè)區(qū)周圍布置幾何水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)點(diǎn)，使其形成包圍整個(gè)測(cè)區(qū)的多邊形。不得將擬合 GPS RTK 計(jì)算高程時(shí)外推。

5、結(jié)論

綜上所述，GPS RTK 測(cè)量精度受到多種內(nèi)部因素和外部因素的影響，但是通過(guò)一些方法或是手段可以對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制，所以在實(shí)際的工程測(cè)量中，只要做好質(zhì)量控制， GPS RTK 測(cè)量的精度符合各種測(cè)量的規(guī)范要求，其質(zhì)量完全可以得到保障。

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