利用GPS-RTK測量作業(yè)應(yīng)注意事項(xiàng)及措施

王歷明，尚飛艷，郭俊強(qiáng)，龔真春，李國營

（61243部隊(duì)，甘肅 蘭州730020）

利用GPS-RTK測量作業(yè)應(yīng)注意事項(xiàng)及措施

王歷明，尚飛艷，郭俊強(qiáng)，龔真春△，李國營

（61243部隊(duì)，甘肅 蘭州730020）

簡要介紹了GPS-RTK測量的基本原理、構(gòu)成和誤差源。結(jié)合幾年來利用GPS-RTK進(jìn)行作業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以其在“蘭-銀”輸油輸氣管線測量中的高效、成功應(yīng)用為例，分析比較了其優(yōu)勢和不足，歸納總結(jié)了采用GPS-RTK作業(yè)時應(yīng)注意的一些事項(xiàng)及相應(yīng)的對策措施，對實(shí)際作業(yè)有一定的參考和借鑒價值。

GPS-RTK；測量作業(yè)；注意事項(xiàng)；應(yīng)對措施

常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)采用了載波相位動態(tài)實(shí)時差分方法，是一種將GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理解算，在1～2s的時間里能得到高精度位置信息的測量技術(shù)[1]。這項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)問世，便極大地拓展了GPS的使用空間，目前已被廣泛運(yùn)用于工程測量、地形測圖、變形監(jiān)測和實(shí)時導(dǎo)航定位等方面，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率，是GPS應(yīng)用的重大里程碑[2]。

本文結(jié)合幾年來利用GPS-RTK進(jìn)行作業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如軍用土地第二次調(diào)查、“蘭-銀”輸油輸氣管線測量、軍用機(jī)場測量和小范圍大比例尺地形圖快速測制等任務(wù)。在簡述GPS-RTK系統(tǒng)組成、測量原理和定位誤差源的基礎(chǔ)上，以“蘭-銀”輸油輸氣管線測量任務(wù)為例，比較分析了其優(yōu)勢和不足，歸納總結(jié)了作業(yè)時的一些注意事項(xiàng)及相應(yīng)的對策措施。

1 RTK系統(tǒng)的基本原理、組成和誤差源

RTK的基本工作原理是將一臺接收機(jī)置于參考站中，另一臺或幾臺接收機(jī)置于載體（稱為流動站）上。參考站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，參考站所獲得的觀測值與已知位置信息進(jìn)行比較，就得到GPS差分改正值，然后，將這個改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈及時傳遞給共視衛(wèi)星的流動站，精化其GPS觀測值，從而得到流動站較精確的3維坐標(biāo)和測量精度[3]。RTK由基準(zhǔn)站、流動站和無線電數(shù)據(jù)鏈三部分組成。

RTK定位的誤差一般分為三類[4]：

1)與GPS衛(wèi)星和RTK儀器有關(guān)的誤差：包括GPS衛(wèi)星軌道誤差、鐘誤差、RTK天線相位中心變化等。

2)與信號傳播有關(guān)的誤差：包括大氣延遲誤差、對流層誤差、多路徑效應(yīng)、信號干擾等。

3)與操作人員有關(guān)的誤差：包括轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的誤差、基準(zhǔn)站與流動站之間的距離、基準(zhǔn)站與流動站操作人員的誤差等。這三部分誤差可統(tǒng)稱為GPS-RTK定位誤差，由系統(tǒng)的控制終端（如掌上機(jī)）實(shí)時顯示。而作為用戶最關(guān)心的是其定位的平面和高程兩方面精度。

2 GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

2009年至2010年，受中國天然氣公司委托，我部承擔(dān)了西氣東輸蘭州至銀川段的管線測量任務(wù)。管線全長約400km，任務(wù)要求完成20個閥(泵)室D級GPS點(diǎn)測量、487個管線特征點(diǎn)測量和200km的1∶2000管線帶狀圖測制任務(wù)。由于工期要求緊，在考慮測量點(diǎn)位較多和僅用傳統(tǒng)測量方法不能及時完成的實(shí)際情況下，作業(yè)時采用了基于GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站方法進(jìn)行D級GPS控制點(diǎn)測量，用RTK技術(shù)進(jìn)行管線特征點(diǎn)測量，RTK與全站儀相結(jié)合的方法來進(jìn)行管線帶狀圖測制。

2.2 所用作業(yè)儀器設(shè)備

作業(yè)所用儀器為南方公司生產(chǎn)靈銳S86型3

△通訊作者：龔真春（1973-），男，甘肅景泰人，高級工程師，主要從事大地測量和GNSS導(dǎo)航定位方面的研究。

臺（套）雙頻GPS接收機(jī)和3臺全站儀。其中GPS接收機(jī)性能指標(biāo)為[5]：靜態(tài)平面精度±3mm＋1ppm，高程精度±5mm＋1ppm，靜態(tài)作用距離優(yōu)于100km；RTK平面精度±1cm＋1ppm，高程精度±2cm＋1ppm，RTK作用距離：優(yōu)于10公里，RTK初始化時間：典型15秒。全站儀為俫卡TPS1202：測角精度：2"，測距精度(2mm＋2ppm×D)。

2.3 測量方法及作業(yè)流程

“蘭－銀”輸油輸氣管線測量任務(wù)的作業(yè)方法及流程如圖1所示。

圖1 “蘭－銀”輸油輸氣管線測量作業(yè)流程

1)基于GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站作業(yè)模式進(jìn)行D級GPS控制點(diǎn)測量。采用基于GPS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的作業(yè)模式時，野外作業(yè)小組獨(dú)立測量，不需要與其他作業(yè)小組同步觀測構(gòu)成同步區(qū)，減輕了外業(yè)組織的工作量，大大提高了作業(yè)效率和成果解算精度。獲取20個閥(泵)室D級點(diǎn)平面及高程準(zhǔn)確成果后，進(jìn)行后續(xù)的管線特征點(diǎn)測量、帶狀圖測制。

2)利用RTK技術(shù)進(jìn)行管線特征點(diǎn)測量。將D級GPS點(diǎn)作為RTK參考站，超過作業(yè)距離時，通過靜態(tài)測量增設(shè)臨時基準(zhǔn)站。利用RTK技術(shù)進(jìn)行管線特征點(diǎn)測量，數(shù)據(jù)處理采用南方靈銳自帶解算軟件“工程之星”進(jìn)行處理。

3)管線帶狀圖測制。在進(jìn)行管線數(shù)字測圖時，在地勢開闊、GPS信號強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)，用RTK接收機(jī)采集碎部點(diǎn)；在有遮擋GPS衛(wèi)星信號的接收和影響數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)貛r，采用全站儀完成碎部點(diǎn)測量。

依據(jù)上述測量方法和作業(yè)流程，雖然在作業(yè)過程中遇到了一些問題，但經(jīng)過作業(yè)人員及時而有效的解決，最終按期完成了任務(wù)，所測成果一次性通過驗(yàn)收并上交。

3 RTK技術(shù)測量作業(yè)的優(yōu)勢與不足

3.1 RTK測量作業(yè)的優(yōu)勢

工程應(yīng)用實(shí)踐表明，采用RTK技術(shù)進(jìn)行作業(yè)，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)[6]：

1)作業(yè)效率高。例如在地形條件良好的情況下，高質(zhì)量的RTK設(shè)站一次至少可測完5km半徑的測區(qū)，大大減少了傳統(tǒng)測量所需的控制點(diǎn)數(shù)量和測量儀器的“搬站”次數(shù)，僅需一人操作，進(jìn)行碎部點(diǎn)測量時，每個點(diǎn)上只需測量3～5s，節(jié)省人力和時間，大大提高了作業(yè)速度和效率。

2)定位精度高，沒有誤差積累。只要滿足RTK的基本工作條件，在其作業(yè)半徑范圍內(nèi)，RTK的平面精度和高程精度都能達(dá)到厘米級，且不存在誤差積累。

3)全天候作業(yè)。RTK技術(shù)不要求兩點(diǎn)間滿足光學(xué)通視，只需要滿足數(shù)據(jù)傳輸和對空通視的要求，因此和傳統(tǒng)測量相比，RTK技術(shù)作業(yè)受限因素少，幾乎可以全天候作業(yè)。

4)RTK作業(yè)自動化、集成化程度高。RTK可勝任各種測繪外業(yè)，流動站配備高效手持操作手簿，內(nèi)置專業(yè)軟件可自動實(shí)現(xiàn)多種測繪功能，減少人為誤差，保證作業(yè)精度。

3.2 RTK技術(shù)的缺點(diǎn)

雖然RTK技術(shù)有著常規(guī)儀器所不能具備的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在以下幾方面不足，使得其在應(yīng)用中受到限制，主要表現(xiàn)為：

1)用戶需要架設(shè)本地的參考站。

2)誤差隨距離增長。

3)誤差的增長使流動站和參考站間的距離受到限制，作業(yè)距離一般小于15km，隨儀器性能、電臺功率大小而不同。

4)可靠性不能達(dá)到100%。RTK確定整周模糊度的可靠性為95%～99%，在穩(wěn)定性方面不及全站儀，這是由于RTK較容易受衛(wèi)星狀況、電離層狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況等影響的緣故[7]。

4 RTK作業(yè)應(yīng)注意的事項(xiàng)及應(yīng)對措施

雖然RTK有如上所述的缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)，且有些優(yōu)點(diǎn)是常規(guī)測量方法所不能比擬的。針對RTK技術(shù)的缺點(diǎn)，結(jié)合作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)

出以下應(yīng)注意的事項(xiàng)及應(yīng)對措施，以彌補(bǔ)RTK技術(shù)的不足，提高作業(yè)效率。

1)準(zhǔn)備充分，摸清儀器特性。通過在各種條件下反復(fù)試驗(yàn)，摸清儀器各種特性，如能否達(dá)到標(biāo)稱精度，在各種條件下的測量誤差、作業(yè)半徑、初始化能力及所耗時間，摸儀器的穩(wěn)定性等等，以便應(yīng)用時得心應(yīng)手。

2)注重基準(zhǔn)位置的選擇?；鶞?zhǔn)站盡量設(shè)置在點(diǎn)位較高的控制點(diǎn)上，以利于接收衛(wèi)星信號和數(shù)據(jù)鏈信號，控制點(diǎn)間距離應(yīng)小于RTK有效作業(yè)半徑的2/ 3倍。為方便對RTK測量成果進(jìn)行控制檢核和避免出現(xiàn)作業(yè)盲點(diǎn)，應(yīng)在測區(qū)內(nèi)環(huán)境不良地區(qū)增設(shè)一些控制點(diǎn)，控制點(diǎn)的選點(diǎn)還要避免無線電干擾和多路徑效應(yīng)。

3)確保測區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確、可靠。轉(zhuǎn)換參數(shù)的好壞直接影響RTK的測量精度，用于求取轉(zhuǎn)換參數(shù)的控制點(diǎn)的精度及分布是影響定位精度很重要的一環(huán)。一般要求是：控制點(diǎn)在測區(qū)內(nèi)要均勻分布，對于較大范圍的測區(qū)，應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)分區(qū)求解，且區(qū)與區(qū)之間要有適當(dāng)?shù)闹睾宵c(diǎn)；其次是控制點(diǎn)在測區(qū)內(nèi)要均勻分布，平面起算點(diǎn)要5個以上，高程起算點(diǎn)要7個以上，目的是擬合出高精度的水準(zhǔn)面。

4)假值問題。用RTK作業(yè)要求必須初始化成功后，即解的類型為固定解 （Fixed），而不是浮點(diǎn)解(Floated)，才能進(jìn)行作業(yè)。但由于受衛(wèi)星、接受時間、處理軟件、環(huán)境因素等各方面影響，有時在固定解的情況下進(jìn)行作業(yè)，但事后經(jīng)檢核發(fā)現(xiàn)，同一個設(shè)計(jì)點(diǎn)，平面位置誤差可達(dá)20cm，高程誤差50cm甚至更大。一般情況下，防止假值出現(xiàn)的辦法主要有：①每日作業(yè)前，復(fù)測兩個以上的首級控制點(diǎn)來檢驗(yàn)；②初始化丟失后，重新初始化后要復(fù)測兩個首級控制點(diǎn)來檢驗(yàn)；③作業(yè)注意高程值，看是否與實(shí)際相符，有無出現(xiàn)異常高程值，通常出現(xiàn)假值時，高程變化較大；④室內(nèi)處理數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)有高程變化異常的點(diǎn)，第二天應(yīng)去復(fù)查這些點(diǎn)。

5)合理選擇作業(yè)時間。通過下載星歷文件了解測區(qū)的衛(wèi)星分布情況，編制可行的作業(yè)計(jì)劃，盡量避開衛(wèi)星信號盲區(qū)和電離層干擾大的時段，以避免無必要的返工。

6)RTK測量困難地區(qū)，選擇合理的作業(yè)流程。在山區(qū)和樹林較密的地方使用RTK作業(yè)，主要表現(xiàn)為收不到基準(zhǔn)站信號或時有時無，初始化較慢且易丟失、測量用時較長和精度不高等。對于此類問題，解決辦法主要有：①選好基準(zhǔn)點(diǎn)，要開闊，電臺功率調(diào)到最大，電臺天線盡可能架高；②把流動站天線架高；③使用電臺中繼站；④架雙基準(zhǔn)站工作；⑤聯(lián)合全站儀作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀的各自優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

GPS-RTK技術(shù)相比常規(guī)測量及靜態(tài)GPS測量來說，其作業(yè)效率和精度大大提高。目前選擇精度高、抗干擾性強(qiáng)的RTK儀器，并通過全面的質(zhì)量保證措施，能得到更加穩(wěn)定可靠的高精度成果。同時，充分利用RTK協(xié)同全站儀聯(lián)合作業(yè)的方式，發(fā)揮出各自優(yōu)勢，能克服不良天氣、地形限制、作業(yè)半徑及工序過多等弊端，達(dá)到提高作業(yè)效率，加快施工進(jìn)度，保證成果質(zhì)量，節(jié)省人力物力等目的。本文結(jié)合工作實(shí)踐，對采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行作業(yè)進(jìn)行了一些歸納和總結(jié)，以供實(shí)際作業(yè)參考和借鑒。

[1]徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng).GPS測量原理與應(yīng)用[M].武漢∶武漢大學(xué)出版社,2008.

[2]龔真春,陳宏偉,張曉博等.GPS-RTK聯(lián)合全站儀在沿黃公路施工放樣中的應(yīng)用[J].測繪空間與地理信息,2015, 38（11）∶137-138.

[3]黃俊華,陳文森.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京∶科學(xué)出版社,2009.

[4]林和忠.RTK技術(shù)的誤差分析與處理[J].北京測繪,2005,（4）∶14-15.

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p631.82