RTK航道測(cè)量技術(shù)及作業(yè)步驟研究

何志敏

摘要：本文基于筆者多年從事海洋測(cè)繪的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以RTK技術(shù)在海洋測(cè)繪中的應(yīng)用為研究對(duì)象，論文重點(diǎn)論述了航道測(cè)量的基本作業(yè)步驟和轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取方法，探討了影響航道測(cè)量精度的因素和應(yīng)該采取的對(duì)策，最后提出了筆者的簡(jiǎn)介，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：RTK 航道測(cè)量 轉(zhuǎn)換參數(shù) 精度

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（b）-0021-02

1 實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)

RTK測(cè)量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在流動(dòng)站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示流動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度。

（1）衛(wèi)星信號(hào)接收系統(tǒng)在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量系統(tǒng)中。應(yīng)至少包含兩臺(tái)GPS接收機(jī)，分別安置在基準(zhǔn)站和流動(dòng)站上。當(dāng)基準(zhǔn)站同時(shí)為多用戶服務(wù)時(shí)，應(yīng)采用雙頻GPS接收機(jī)，其采樣率與流動(dòng)站采樣率最高的相一致。（2）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)鏈）。由基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)發(fā)射裝置與流動(dòng)站數(shù)據(jù)接收裝置組成，它是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的關(guān)鍵性設(shè)備。其穩(wěn)定性依賴于高頻數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的可靠性與抗干擾性。為了保證足夠的數(shù)據(jù)傳輸距離及信號(hào)強(qiáng)度，一般在基準(zhǔn)站還需要附加功率放大設(shè)備。（3）軟件解算系統(tǒng)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量的軟件解算系統(tǒng)對(duì)于保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果的精確性與可靠性，具有決定性的作用。

2 轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取方法研究

根據(jù)RTK的原理，參考站和流動(dòng)站直接采集的均為WGS84坐標(biāo)，參考站一般以一個(gè)WGS84坐標(biāo)作為起始值，實(shí)時(shí)地計(jì)算點(diǎn)位誤差并由電臺(tái)發(fā)射出去，流動(dòng)站同步接收WGS84坐標(biāo)并通過電臺(tái)來接收參考站的數(shù)據(jù)，條件滿足后就達(dá)到固定解，流動(dòng)站就可實(shí)時(shí)得到高精度的相對(duì)于參考站的WGS84三維坐標(biāo)，這樣就保證了參考站與流動(dòng)站之間的測(cè)量精度。如果要附合到已知點(diǎn)上，需要把原坐標(biāo)系統(tǒng)和現(xiàn)有坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)求出來。

RTK直接測(cè)量的坐標(biāo)屬于WGS84坐標(biāo)系，而我們通常使用的是1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和地方坐標(biāo)系，所以必須進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。由于它們之間并不是一個(gè)橢球，如果要求得精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)，通常有七參數(shù)法和四參數(shù)法兩種。轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取方法：一是使用已有的靜態(tài)數(shù)據(jù)；二是采取現(xiàn)場(chǎng)采集的方法，通過鍵入一定數(shù)量控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)，然后在這些控制點(diǎn)上采集WGS84坐標(biāo)，通過點(diǎn)校正得到最佳轉(zhuǎn)換參數(shù)，其轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確性與控制點(diǎn)的數(shù)量及分布有關(guān)。四參數(shù)和七參數(shù)并不是一個(gè)概念，四參數(shù)是同一橢球不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，表示為△X、△Y、A（旋轉(zhuǎn)角）、K（尺度比），七參數(shù)是兩個(gè)不同橢球之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，表示為△x、△y、△z、△α、△β、△γ、△κ，三個(gè)平移、三個(gè)旋轉(zhuǎn)和一個(gè)尺度參數(shù)。四參數(shù)和七參數(shù)是不能同時(shí)使用的，兩者只能選其一，在具體測(cè)量時(shí)怎么確定這兩種參數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵問題。

求取四參數(shù)是把WGS84的原始經(jīng)緯度作為北京54經(jīng)緯度處理，這樣一來就可以通過采集兩個(gè)或兩個(gè)以上的北京54已知點(diǎn)來求取。而七參數(shù)的求解方法一般是靠控制測(cè)量即靜態(tài)測(cè)量，通過平差軟件進(jìn)行處理后自動(dòng)求出七參數(shù)，在進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí)可直接輸入使用。七參數(shù)相對(duì)于網(wǎng)參數(shù)來說，可以認(rèn)為是更準(zhǔn)確、精度更高，有條件的話盡量使用七參數(shù)。擬合參數(shù)是指高程擬合參數(shù)，在需要高精度的正常高高程值時(shí)，用RTK測(cè)量必須合理地求解高程擬合面，這樣才能滿足一般作業(yè)要求。

3 GPSRTK測(cè)深技術(shù)原理研究

隨著GPS全球定位技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量在實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位方面的應(yīng)用越來越廣泛。目前GPS定位中應(yīng)用較多的是DGPS技術(shù)，這是一種采用簡(jiǎn)單的碼數(shù)據(jù)（波長(zhǎng)300m）相位平滑的技術(shù)，定位精度在nm級(jí)，水下地形高程則需要通過驗(yàn)潮確定。對(duì)于大比例尺的水下地形測(cè)量或作業(yè)區(qū)遠(yuǎn)離陸域不便于驗(yàn)潮的地方，DGPS技術(shù)已難于滿足要求，而GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相位差分（RTK）是一種直接應(yīng)用L1和L2載波（波長(zhǎng)分別為19cm和24cm）相位的GPS定位技術(shù)，它在三維坐標(biāo)上可以提供cm級(jí)的精度，在水下地形測(cè)量中無需通過驗(yàn)潮確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗(yàn)潮測(cè)深。

假定參考站天線高為h1，參考站的正常高為h2，流動(dòng)站的天線高為h3，參考站GPS天線處的正常高和大地高分別為h4、h5，流動(dòng)站GPS天線相位中心的大地高和正常高分別為h6、h7，換能器的瞬間高程為h8，測(cè)點(diǎn)高程為h。由圖1中可以看出。

根據(jù)GPS差分原理，參考站與流動(dòng)站間的距離小于30km，可認(rèn)為下式成立：

則換能器的瞬間高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。換能器的瞬間高程確定后，所測(cè)的水底點(diǎn)的高程就很容易求出：h=h8-測(cè)深儀所測(cè)的深度。

這樣就實(shí)現(xiàn)了在水深測(cè)量中，無需通過驗(yàn)潮來確定泥面高程，這種方法稱為GPS無驗(yàn)潮測(cè)深。眾所周知，動(dòng)吃水發(fā)生在垂直方向，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位時(shí)，該方向上的位移量可通過架設(shè)在船體中心上方的GPS天線相位中心的瞬間高程信息獲得，該高程減去GPS天線到換能器的垂距，便是換能器發(fā)射面的瞬間高程，而換能器測(cè)量的深度正是建立在該高程的基礎(chǔ)上，因而說，船體的動(dòng)態(tài)吃水不用專門去測(cè)定，換能器的瞬間高程已經(jīng)包含了該信息。這是無驗(yàn)潮測(cè)深模式所特有的，也是相對(duì)傳統(tǒng)方法測(cè)量精度較高的原因所在。

4 航道測(cè)量的基本作業(yè)步驟

航道測(cè)量的作業(yè)系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀、數(shù)據(jù)通信鏈和便攜式計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件等組成。測(cè)量作業(yè)分三步來進(jìn)行，即測(cè)前的準(zhǔn)備、外業(yè)的數(shù)據(jù)采集測(cè)量作業(yè)和數(shù)據(jù)的后處理形成成果輸出。

4.1測(cè)前的準(zhǔn)備

（1）求轉(zhuǎn)換參數(shù)。

①將GPS基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)A上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、發(fā)射間隔及最大衛(wèi)星使用數(shù)，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)，輸入基準(zhǔn)站坐標(biāo)（該點(diǎn)的單點(diǎn)84坐標(biāo)）后設(shè)置為基準(zhǔn)站。②將GPS移動(dòng)站架設(shè)在已知點(diǎn)B上，設(shè)置好參考坐標(biāo)系、投影參數(shù)、差分電文數(shù)據(jù)格式、接收間隔，關(guān)閉轉(zhuǎn)換參數(shù)和七參數(shù)后，求得該點(diǎn)的固定解（84坐標(biāo)）。③通過A、B兩點(diǎn)的84坐標(biāo)及當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（2）建立任務(wù)，設(shè)置好坐標(biāo)系、投影、一級(jí)變換及圖定義。

（3）作計(jì)劃線。如果已經(jīng)有了測(cè)量斷面就要重新布設(shè)，但可以根據(jù)需要進(jìn)行加密。

4.2外業(yè)的數(shù)據(jù)采集

（1）架設(shè)基準(zhǔn)站在求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)架設(shè)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，且坐標(biāo)不變。

（2）將GPS接收機(jī)、數(shù)字化測(cè)深儀和便攜機(jī)等連接好后，打開電源。設(shè)置好記錄設(shè)置、定位儀和測(cè)深儀接口、接收數(shù)據(jù)格式、測(cè)深儀配置、天線偏差改正及延遲校正后，就可以進(jìn)行測(cè)量工作了。

4.3數(shù)據(jù)的后處理

數(shù)據(jù)后處理是指利用相應(yīng)配套的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，形成所需要的測(cè)量成果——航道圖及其統(tǒng)計(jì)分析報(bào)告等，所有測(cè)量成果可以通過打印機(jī)或繪圖機(jī)輸出。

5 影響航道測(cè)量精度的幾種因素及相應(yīng)對(duì)策

5.1水下地形點(diǎn)高程的誤差主要來源

（1）儀器誤差：GPS接收機(jī)和測(cè)深儀精度。（2）轉(zhuǎn)換誤差：由于實(shí)時(shí)相位差分得到的是WGS84坐標(biāo)下的高程，屬于大地高程系統(tǒng)，如工程采用其他高程系統(tǒng)，這就需要把測(cè)得的大地高程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)高程。（3）其他誤差：如動(dòng)吃水、風(fēng)浪造成的測(cè)深船起伏和搖擺等。由于GPS天線與測(cè)深儀換能器之間為一固定值，因此測(cè)深船的垂直起伏不會(huì)給水下地形測(cè)量精度帶來影響，如動(dòng)吃水、波浪等影響可以消除。

在實(shí)際的使用無驗(yàn)潮方式進(jìn)行航道測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果精度會(huì)由于船體的搖擺、采樣速率、同步時(shí)差及RTK高程的可靠性等因素造成的誤差的影響，這些誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RTK定位誤差，從而成為無驗(yàn)潮方式航道測(cè)量精度提高的瓶頸因素。

5.2船體搖擺姿態(tài)的修正

船的姿態(tài)可用電磁式姿態(tài)儀進(jìn)行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿態(tài)儀可輸出船的航向、橫擺、縱擺等參數(shù)，通過專用的測(cè)量軟件接入進(jìn)行修正。

5.3采樣速率和延遲造成的誤差

GPS定位輸出的更新率將直接影響到瞬時(shí)采集的精度和密度?，F(xiàn)在大多數(shù)GPS-RTK都可以最高輸出率達(dá)20Hz，而測(cè)深儀的輸出速度各種品牌差別很大，數(shù)據(jù)輸出的延遲也各不相同。因此，定位數(shù)據(jù)的定位時(shí)刻和水深數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)刻的時(shí)間差造成定位延遲。對(duì)于這項(xiàng)誤差可以在延遲校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到，也可以采用以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6 作業(yè)時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）因?yàn)镽TK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)（偽距觀測(cè)值，相位觀測(cè)值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。所以：①電臺(tái)天線要盡量高。如果距離較遠(yuǎn)，則要使用高增益天線；否則將影響到作業(yè)距離。②電源電量要充足，否則也將影響到作業(yè)距離。（2）設(shè)站時(shí)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。（3）如果不是使用七參數(shù)，則在設(shè)置基準(zhǔn)站時(shí)要使TransformToWGS84（轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)系）處于off（關(guān)閉）狀態(tài)。（4）如果使用七參數(shù)，則△x、△Y、AZ都小于±100較好，否則重求。（5）在求轉(zhuǎn)換參數(shù)前，要使參數(shù)轉(zhuǎn)換和七參數(shù)關(guān)閉。

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