廈門(mén)CORS RTK高程精度控制方法

陳華南

摘 要在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，RTK技術(shù)在城市測(cè)繪工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的效果，已成為城市平面定位的重要技術(shù)之一;但在高程測(cè)量方面，由于RTK高程精度具有不確定性，其應(yīng)用受到一定程度的影響。本文從削弱衛(wèi)星信號(hào)傳播誤差影響、正確設(shè)置虛擬參考站、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及外界環(huán)境影響控制四方面對(duì)廈門(mén)網(wǎng)絡(luò)RTK高程測(cè)量進(jìn)行研究分析，可為RTK測(cè)高應(yīng)用提供一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)RTK高程;VRS;精度控制

0 引言

在測(cè)繪工作中，RTK以其平面定位精度高、時(shí)間短、無(wú)誤差累積、操作簡(jiǎn)單、全天候等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)繪各個(gè)領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。RTK測(cè)量技術(shù)在平面控制測(cè)量中已得到廣泛應(yīng)用，并取得顯著效益，但RTK高程卻沒(méi)有像RTK平面坐標(biāo)那樣被廣泛應(yīng)用，主要原因是RTK高程的影響因素較多較復(fù)雜，高程成果精度有時(shí)無(wú)法滿足城市測(cè)量的需求。想獲得較高精度的RTK高程，需要多措并舉。

1 RTK高程影響因素

RTK高程由流動(dòng)站測(cè)得的大地高減去流動(dòng)站的高程異常獲得[1]，如式：

其精度在由大地高向正常高轉(zhuǎn)換中，由于方法不同，受高程異常精度和垂線偏差的影響，導(dǎo)致正常高精度存在不確定性。另一方面，RTK大地高的精度也制約著正常高的精度，而大地高測(cè)量精度受衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程誤差、GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、外界環(huán)境、人為因素的影響。故RTK高程測(cè)量一定要謹(jǐn)慎，反復(fù)校核，排除粗差，才能得到精度較高質(zhì)量可靠的RTK高程。

2 廈門(mén)RTK高程精度控制方法

廈門(mén)RTK運(yùn)行采用的是網(wǎng)絡(luò)RTK模式，其中包括7個(gè)基準(zhǔn)站組成CORS網(wǎng)、管理中心、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、用戶服務(wù)中心。因RTK高程精度受多方面因素的影響，為保證RTK高程的穩(wěn)定可靠，在實(shí)踐中，廈門(mén)網(wǎng)絡(luò)RTK從以下四方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.1 衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程產(chǎn)生的誤差控制

利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)有效消除衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程產(chǎn)生的誤差，包括GPS軌道誤差，電離層、對(duì)流層延遲誤差，控制參考站與流動(dòng)站間線性誤差傳遞。

RTK技術(shù)在應(yīng)用中遇到的較大問(wèn)題是參考站關(guān)于衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程產(chǎn)生的誤差校正數(shù)據(jù)的有效作用距離。GPS誤差的空間相關(guān)性隨參考站和流動(dòng)站距離的增加而逐漸變差[2]，為了克服傳統(tǒng)單基準(zhǔn)站RTK技術(shù)的缺陷，廈門(mén)采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)——廈門(mén)CORS技術(shù)。廈門(mén)CORS由均勻分布的7個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站組成，覆蓋整個(gè)廈門(mén)市行政區(qū)域范圍，最長(zhǎng)基線32.6公里，最短16.2公里，平均23公里。如下圖所示：

外業(yè)測(cè)量中，流動(dòng)站將NMEA格式單點(diǎn)定位坐標(biāo)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器據(jù)此自動(dòng)選擇最佳的一組固定基準(zhǔn)站，基于這組基準(zhǔn)站的實(shí)測(cè)差分值建立誤差模型，并在流動(dòng)站旁生成一個(gè)虛擬參考站及內(nèi)插計(jì)算差分改正值，通過(guò)NTRIP協(xié)議實(shí)時(shí)向流動(dòng)站分發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)，流動(dòng)站根據(jù)接收的差分信號(hào)實(shí)時(shí)求解雙差模糊度，解算出流動(dòng)站的三維定位坐標(biāo)，流程見(jiàn)下圖。該方式能有效消除衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程產(chǎn)生的誤差，并解決RTK作業(yè)距離的限制問(wèn)題，消除校正數(shù)據(jù)線性傳遞誤差。

2.2 正確設(shè)置虛擬參考站

廈門(mén)RTK高程在測(cè)繪工作中采用VRS（虛擬參考站）模式下流動(dòng)站獲取正常高的方法[3]?；驹砣缦拢阂虼蟮厮疁?zhǔn)面連續(xù)、均勻，且流動(dòng)站與VRS距離較短，可認(rèn)為流動(dòng)站與虛擬參考站具有相同的高程異常。如下圖所示，將VRS坐標(biāo)沿垂線方向平移，則各流動(dòng)站也將在高程方向變化相同的量，從而實(shí)現(xiàn)大地高到正常高的轉(zhuǎn)換。

但是，VRS至流動(dòng)站的距離越遠(yuǎn)高程異常值的差異越大。日常作業(yè)中，當(dāng)流動(dòng)站與VRS距離超過(guò)500米時(shí)服務(wù)器自動(dòng)重新生成新的虛擬參考站，才能獲得作業(yè)要求的高程精度。

2015年8月，我們用此方法對(duì)覆蓋廈門(mén)市的14個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)進(jìn)行RTK檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)生成的虛擬參考站與流動(dòng)站距離最大為7.11米，最大高程較差為3.7cm。比之前采用的單基站法獲取正常高精度約為10cm有了很大提升。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

2018年4月對(duì)廈門(mén)市集美及海滄區(qū)的31個(gè)D級(jí)GPS點(diǎn)及一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行了RTK檢測(cè)，且有意將流動(dòng)站設(shè)置成只對(duì)距離最近的基準(zhǔn)站生成VRS虛擬站，而不是在作業(yè)半徑500米內(nèi)生成虛擬站。檢測(cè)結(jié)果有8個(gè)點(diǎn)的高程較差超過(guò)10cm，詳見(jiàn)表2。

由此可見(jiàn)，VRS虛擬參考站點(diǎn)離流動(dòng)站點(diǎn)越遠(yuǎn)，與流動(dòng)站的觀測(cè)條件差別越大，一方面導(dǎo)致差分改正數(shù)不反應(yīng)流動(dòng)站的實(shí)際情況，另一方面也導(dǎo)致高程異常不具代表性，從而導(dǎo)致高程精度非常不穩(wěn)定。這從反面說(shuō)明VRS模式下流動(dòng)站獲取正常高方法的重要性。

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：制定標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)流程，盡量避免外業(yè)測(cè)

量過(guò)程中對(duì)RTK高程精度產(chǎn)生主觀的不良影響。

（1）硬件要求：RTK要選擇精度等級(jí)不低于基線精度5mm+1ppm、高程精度10mm+2ppm的儀器。

（2）仔細(xì)選擇時(shí)段，確保RTK觀測(cè)點(diǎn)具備良好的對(duì)星圖形條件，進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，衛(wèi)星狀態(tài)應(yīng)符合表3規(guī)定。

（3）觀測(cè)開(kāi)始前應(yīng)初始化并得到固定解，當(dāng)初始化時(shí)間超過(guò)2分鐘仍不能獲得固定解時(shí)，宜斷開(kāi)、重新連接通信鏈路進(jìn)行初始化操作;當(dāng)接收機(jī)重新啟動(dòng)3次仍不能獲得固定解，應(yīng)選擇其他位置或時(shí)段進(jìn)行作業(yè)。

（4）觀測(cè)時(shí)應(yīng)采用三腳架對(duì)中、整平，每測(cè)回歷元數(shù)不少于60個(gè)。測(cè)回間須重新初始化，取各測(cè)回中數(shù)作為觀測(cè)結(jié)果。比較各次觀測(cè)值剔除粗差。

（5）RTK檢測(cè)已有高程控制點(diǎn)個(gè)數(shù)不少于2個(gè)（檢核已知點(diǎn)主要為防止儀器設(shè)置錯(cuò)誤）;用RTK布控時(shí)，相鄰點(diǎn)間需用全站儀進(jìn)行高差檢核以檢查是否存在粗差，以保證成果的可靠性[4]。檢核圖根以上已知點(diǎn)較差、全站儀檢核高差應(yīng)符合表4規(guī)定。

2.4 外界環(huán)境影響的控制

減少流動(dòng)站周邊干擾源對(duì)觀測(cè)質(zhì)量的影響。

RTK作業(yè)時(shí)，要考慮是否被周邊樹(shù)木、房屋、山坡等遮擋物干擾衛(wèi)星載波傳播路徑;大面積水域、大面積反射源（如大面積白色屋頂建筑群）等影響信號(hào)質(zhì)量;電磁干擾較嚴(yán)重的干擾源，如高壓電塔、高壓線、工地的塔吊也會(huì)影響觀測(cè)精度。外界環(huán)境對(duì)RTK高程精度影響的偶然性很難發(fā)現(xiàn)，往往要通過(guò)多次多余觀測(cè)、不同時(shí)段觀測(cè)以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)排查才能發(fā)現(xiàn)外界干擾源對(duì)精度的影響。

2019年11月對(duì)廈門(mén)市海滄區(qū)D級(jí)點(diǎn)5個(gè)，一級(jí)點(diǎn)30個(gè)，共35個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行RTK檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中點(diǎn)號(hào)為H18A0177、H18A0266兩點(diǎn)的高程誤差大于10cm。隔天再次對(duì)這兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果為H18A0266高程較差1.5cm，H18A0277高程較差-3.2cm，符合要求。經(jīng)過(guò)認(rèn)真排查，發(fā)現(xiàn)這兩點(diǎn)有信號(hào)干擾源：H18A0266周邊30米處有一棟3層大面積白色反射面鐵皮屋頂廠房，H18A0277旁邊有2米高的行樹(shù)遮擋，第一次觀測(cè)時(shí)，兩點(diǎn)周邊500米范圍內(nèi)均未自動(dòng)生成VRS虛擬站，雖然初始化正常，固定解正常，但檢測(cè)結(jié)果RTK高程誤差值超限。復(fù)測(cè)時(shí)，由于時(shí)段不同，在流動(dòng)站附近500米內(nèi)成功生成了VRS，因而測(cè)得的高程滿足測(cè)量規(guī)范的要求[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上述各個(gè)RTK高程影響因素的把控，從根源處進(jìn)行質(zhì)量控制，細(xì)心觀測(cè)，廈門(mén)市網(wǎng)絡(luò)RTK高程精度總體上滿足廈門(mén)市城市測(cè)量精度的需求。目前網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)高已大量應(yīng)用于項(xiàng)目竣工測(cè)量、地形圖的局部修測(cè)，四等及等外水準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了GPS測(cè)高取代傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量，進(jìn)而完成GPS二維平面定位到同時(shí)確定海拔高程的三維定位轉(zhuǎn)變，較好地滿足了工程領(lǐng)域快速高效獲得三維點(diǎn)位的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]李天文. GPS原理及應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]張海瑞，陳西強(qiáng). CORS系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 硅谷，2010，（1）：147-148

[3]歐陽(yáng)欣，江春發(fā)，郭垂注.VRS模式下流動(dòng)站獲取正常高的方法[J].地理空間信息，2014年2月：140-141？

[4]城市測(cè)量規(guī)范. 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011.

[5]衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范. 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.