優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)GPS—RTK定位精度提高的實(shí)驗(yàn)分析

王翔 魏長(zhǎng)壽

摘 要：本文通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)RTK技術(shù)在實(shí)施過程中分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于定位精度的影響，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式，提高RTK定位精度，擬得到RTK技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到小范圍工程測(cè)量的精度要求，對(duì)在小范圍工程測(cè)量中RTK技術(shù)的推廣，提高作業(yè)效率，有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：RTK；工程測(cè)量；轉(zhuǎn)換參數(shù)；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.124

1 引言

RTK（Real Time Kinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是一項(xiàng)以載波相位觀測(cè)為基礎(chǔ)的差分GPS測(cè)量技術(shù)。GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，而且得到精度較高定位的定位成果，可以進(jìn)行高質(zhì)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)處理，設(shè)備間無需通視，用途廣泛等特點(diǎn)[1]。

在小區(qū)域內(nèi)RTK測(cè)量首先要進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量好壞將會(huì)嚴(yán)重影響RTK的測(cè)量精度[2]。本文通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)RTK技術(shù)在實(shí)施過程中分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于定位精度的影響，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式，提高RTK定位精度，擬得到RTK技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到小范圍工程測(cè)量的精度要求，對(duì)在小范圍工程測(cè)量中RTK技術(shù)的推廣，提高作業(yè)效率，有著重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)

首先在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行E級(jí)GPS靜態(tài)定位控制網(wǎng)的布設(shè)，基線長(zhǎng)度都在1km以內(nèi)，得到各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的已知坐標(biāo)，布設(shè)控制網(wǎng)型如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)有道路、建筑、樹木等地物，環(huán)境模擬小區(qū)域城市工程測(cè)量的實(shí)施環(huán)境，可根據(jù)各個(gè)已知點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)求解不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)中分析RTK技術(shù)在實(shí)施過程中轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于定位精度的影響提供對(duì)比數(shù)據(jù)。

3 根據(jù)已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的實(shí)驗(yàn)

GPS-RTK技術(shù)在實(shí)施的過程中，其實(shí)質(zhì)就是先求解WGS-84坐標(biāo)系到地方獨(dú)立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，再使用該轉(zhuǎn)換參數(shù)將獲得的測(cè)點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)換算成地方獨(dú)立坐標(biāo)。因此使用合理的轉(zhuǎn)換模型，獲取精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)才是有效提高RKT定位精度的有效手段。

3.1 參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的選擇

參數(shù)轉(zhuǎn)換模型有兩種，一種是七參數(shù)模型，利用至少3個(gè)已知點(diǎn)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，會(huì)得到一個(gè)尺度變化參數(shù)（m）、三個(gè)平移變化參數(shù)（?X0、?Y0、?Z0）、以及三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（εX、εY、εZ ）。另一種是四參數(shù)模型，利用至少2個(gè)已知點(diǎn)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，會(huì)得到一個(gè)尺度變化參數(shù)（m）、以及三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)（εX、εY、εZ ）。

本文利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)，分別7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和4參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的方式計(jì)算RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，并分別使用兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的RTK方法對(duì)KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取，并與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用7參數(shù)模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行RTK測(cè)量其平面定位精度誤差達(dá)到米級(jí)，而使用4參數(shù)模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行RTK測(cè)量其平面定位精度誤差很小，都在2cm范圍內(nèi)；在高程精度方面，兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)所得到的定位精度誤差都在2cm范圍以外，由實(shí)驗(yàn)可知在小區(qū)域工程測(cè)量實(shí)施過程中，由于求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)所覆蓋的面積非常小，而七參數(shù)模型在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的過程中，更多的考慮了地球曲率的影響，反而使結(jié)果誤差很大，所以不考慮地球曲率應(yīng)選用四參數(shù)模型求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到更好的定位精度結(jié)果。

3.2 選用相同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)相同點(diǎn)在不同時(shí)段進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)對(duì)比的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)，使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，并使用RTK的方法對(duì)KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)分上午、中午、下午三個(gè)不同時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取，并與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到，在采用相同已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)并在上午、中午、下午三個(gè)不同時(shí)段對(duì)相同的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，其觀測(cè)結(jié)果與已知點(diǎn)相比較誤差也有不同。X、Y兩個(gè)平面方向坐標(biāo)上午、下午兩個(gè)時(shí)段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各點(diǎn)RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都很小，幾乎都在10mm以內(nèi)；而各點(diǎn)中午時(shí)段的X、Y兩個(gè)平面方向RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都較大，基本都在10mm以上，通過實(shí)驗(yàn)得到，在使用相同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下，上午和下午的觀測(cè)精度要明顯好于中午時(shí)段的觀測(cè)精度，在中午時(shí)段電離層受到太陽黑子的運(yùn)動(dòng)的影響是一天中最劇烈的，GPS信號(hào)在此時(shí)段穿過電離層會(huì)受到相對(duì)較大的影響，實(shí)驗(yàn)表明在上午和下午進(jìn)行RTK觀測(cè)能夠有效提高平面觀測(cè)精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明觀測(cè)誤差在2cm范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程測(cè)量的要求。

在高程觀測(cè)精度上，通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，三個(gè)時(shí)段的觀測(cè)誤差都較大，通過實(shí)驗(yàn)證明RTK在高程測(cè)量方面的精度是難以保證的。

3.3 選用不同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)對(duì)比的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)，和利用圖1中KH1、KH2、7三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)，兩組已知點(diǎn)都使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算得到兩組RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別使用這兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段且使用同一個(gè)基準(zhǔn)站對(duì)KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取，分別與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過上表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在選用不同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí)，其觀測(cè)結(jié)果與已知點(diǎn)相比較誤差也有不同。從表2中X、Y兩個(gè)平面方向坐標(biāo)使用不同轉(zhuǎn)換參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在使用KH21、KH22、KH23三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都很小，幾乎都在10mm以內(nèi)；而使用KH1、KH2、7三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都較大，基本都在10mm以上；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用KH21、KH22、KH23三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)得到的RTK測(cè)量值精度更高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明觀測(cè)誤差在2cm范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程測(cè)量的要求。通過圖1 可以看出，KH21、KH22、KH23三點(diǎn)與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的距離更為接近，形成的控制網(wǎng)型更為穩(wěn)固；也與4參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的求解過程有關(guān)，KH21、KH22、KH23三點(diǎn)所圍成的面積比KH1、KH2、7三點(diǎn)圍成的面積更小，更接近于一個(gè)平面，更適合于4參數(shù)模型解算出更精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)；轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量也與已知點(diǎn)的精度有很大關(guān)系，KH1點(diǎn)附近有16層的高樓，在數(shù)據(jù)靜態(tài)解算時(shí)發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)的信號(hào)接收狀態(tài)不甚理想。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，通過選擇形成更穩(wěn)固的網(wǎng)型的控制點(diǎn)作為求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)，以及選擇更為可靠的已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，能夠?qū)D(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而有效提高RTK平面測(cè)量成果的精度。

在高程觀測(cè)精度上，通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的觀測(cè)誤差都較大，通過實(shí)驗(yàn)證明RTK在高程測(cè)量方面的精度是難以保證的。

3.4 實(shí)驗(yàn)分析轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系

從上個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，選擇不同的已知點(diǎn)求解出不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)得到的RTK測(cè)量結(jié)果的精度也是不同的，下面來分析一下轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點(diǎn)的數(shù)量是否存在一定的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)，和利用圖1中KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn)，兩組已知點(diǎn)都使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算得到兩組RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)，分別使用這兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段且使用同一個(gè)基準(zhǔn)站對(duì)KH31-KH34共4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取，分別與KH31-KH34共4個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過上表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在選用不同數(shù)量已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí)，其觀測(cè)結(jié)果與已知點(diǎn)相比較誤差也有不同。從表3中X、Y兩個(gè)平面方向坐標(biāo)使用不同轉(zhuǎn)換參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在使用KH21、KH22、KH23三個(gè)點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都很小，幾乎都在10mm以內(nèi)；而使用KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個(gè)點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都較大，基本都在10mm以上；通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用KH21、KH22、KH23三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)得到的RTK測(cè)量值精度更高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明觀測(cè)誤差在2cm范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程測(cè)量的要求。在高程觀測(cè)精度上，通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的觀測(cè)誤差都較大，所以RTK在高程測(cè)量方面的精度是難以保證的。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用更多的已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)并不能使RTK測(cè)量結(jié)果更為精確，根據(jù)4參數(shù)模型計(jì)算原理，若參與計(jì)算的已知點(diǎn)多于兩個(gè)就會(huì)使轉(zhuǎn)換參數(shù)存在殘差，這是由于已知點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)下所構(gòu)成的基線長(zhǎng)度與這些已知點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系下構(gòu)成的基線長(zhǎng)度不相等造成的，其實(shí)質(zhì)原因是因?yàn)橐阎c(diǎn)的數(shù)據(jù)可能存在一定誤差，如果把存在誤差的已知點(diǎn)用來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)就會(huì)造成轉(zhuǎn)換參數(shù)不夠精確，從而影響RTK數(shù)據(jù)的精度。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)個(gè)數(shù)與RTK觀測(cè)質(zhì)量并無直接關(guān)系，如果已知點(diǎn)存在誤差還會(huì)降低RTK觀測(cè)質(zhì)量。

4 結(jié)論與展望

本文通過在常規(guī)小區(qū)域工程測(cè)量實(shí)施環(huán)境的觀測(cè)條件下，分析轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系等實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）在常規(guī)小區(qū)域工程測(cè)量實(shí)施環(huán)境的RTK觀測(cè)條件下，選用四參數(shù)模型求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，得到更好的定位精度結(jié)果。

（2）在采用相同已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，上午和下午的平面觀測(cè)精度要明顯好于中午時(shí)段的觀測(cè)精度。

（3）在選用不同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí)，選擇形成更穩(wěn)固的網(wǎng)型的控制點(diǎn)作為求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)，以及選擇更為可靠的已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，能夠?qū)D(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而有效提高RTK平面測(cè)量成果的精度。

（4）實(shí)驗(yàn)證明在選用不同數(shù)量已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí)，參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)個(gè)數(shù)與RTK觀測(cè)質(zhì)量并無直接關(guān)系，如果已知點(diǎn)存在誤差還會(huì)降低RTK觀測(cè)質(zhì)量。

在實(shí)驗(yàn)的過程中求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，手部無法顯示出參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)是否存在殘差，若能實(shí)時(shí)獲取已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)存在的殘差數(shù)據(jù)，則可對(duì)殘差較大的已知點(diǎn)進(jìn)行剔除，選擇更精確的已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的優(yōu)化，提高測(cè)量精度。

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內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)：2016QDL-S07