千尋位置與RTK技術(shù)在電力工程測(cè)量中的比較分析

劉 洋，曾群意，郭忠臣，胡茂林，任尚勇，黎 洋

(1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

0 引言

RTK具有操作簡(jiǎn)便，測(cè)站間無需通視，可實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)三維坐標(biāo)成果的優(yōu)勢(shì)，是目前電力工程測(cè)量中廣泛應(yīng)用的定位技術(shù)[1]。但RTK技術(shù)存在服務(wù)半徑較小、精度隨流動(dòng)站與參考站距離的增大而衰減的缺點(diǎn)[2-4]。連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations，CORS)是基于多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)由GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通信鏈路、用戶部分組成，利用區(qū)域內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)參考站為用戶實(shí)時(shí)提供改正信息，從而獲得高精度坐標(biāo)成果的服務(wù)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)RTK具有服務(wù)范圍廣，定位精度與可靠性高的優(yōu)勢(shì)[5-8]。

千尋位置基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)基礎(chǔ)定位數(shù)據(jù)，同時(shí)兼容GPS、GLONASS、Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，依靠云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，為全國(guó)范圍用戶提供7×24 h全天候的定位服務(wù)。千尋位置擁有超過2200個(gè)地基增強(qiáng)站及自主研發(fā)的定位算法，主要提供千尋跬步Find m(亞米級(jí))、千尋知寸Find cm(厘米級(jí))和千尋見微Find mm(毫米級(jí))三種高精度定位服務(wù)[9-10]。黃永帥[11]等對(duì)千尋位置北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的RTK與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分技術(shù)(real time differential，RTD)定位服務(wù)性能進(jìn)行了測(cè)試與研究；劉東軍[12]對(duì)千尋位置與CORS的測(cè)量精度進(jìn)行了對(duì)比分析。本文對(duì)千尋位置與常規(guī)RTK的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)理想與不良觀測(cè)環(huán)境中的電力測(cè)量工作提供參考。

1 理想觀測(cè)條件下分析

選擇三臺(tái)同型號(hào)天寶R10接收機(jī)，一臺(tái)架設(shè)在開闊且無電磁干擾的控制點(diǎn)上作為參考站，另外兩臺(tái)架設(shè)在空曠、受多路徑影響小且相距很近的位置作為流動(dòng)站。三臺(tái)接收機(jī)均具備接收 GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS多星座數(shù)據(jù)功能，流動(dòng)站中一臺(tái)采用常規(guī)RTK電臺(tái)模式，另一臺(tái)采用千尋知寸Find cm服務(wù)模式，衛(wèi)星截止高度角均設(shè)置為15°，PDOP限值為6[13-14]。在手簿中進(jìn)行千尋位置賬戶、IP地址等配置，掛載點(diǎn)(Mount Point)選擇RTCM32_GGB，以便能夠同時(shí)接收GPS、GLONASS和BDS三星雙頻數(shù)據(jù)。對(duì)接收機(jī)進(jìn)行預(yù)熱和靜置并進(jìn)行10 min的數(shù)據(jù)預(yù)采集后，使接收機(jī)按20 s的時(shí)間間隔自動(dòng)進(jìn)行RTK測(cè)量，共進(jìn)行了3.1 h的數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)采集過程中，網(wǎng)絡(luò)狀況良好，千尋位置測(cè)量未出現(xiàn)中斷等情況。以各流動(dòng)站坐標(biāo)的平均值作為理論值，X、Y、H坐標(biāo)誤差如圖1所示，水平精度與垂直精度如圖2所示，PDOP值與可見衛(wèi)星數(shù)目如圖3所示，表1與表2分別是定位數(shù)據(jù)與可見衛(wèi)星比較。

圖1 理想觀測(cè)條件下坐標(biāo)誤差

圖2 理想觀測(cè)條件下水平精度與垂直精度

圖3 理想觀測(cè)條件下PDOP值與可見衛(wèi)星數(shù)目

表1 理想觀測(cè)條件下千尋位置與常規(guī)RTK定位數(shù)據(jù)比較

表2 理想觀測(cè)條件下千尋位置與常規(guī)RTK可見衛(wèi)星比較

從圖1、圖2、圖3及表1分析可以得出，在理想觀測(cè)條件下，千尋位置的內(nèi)符合精度較常規(guī)RTK差，在水平精度與垂直精度上，常規(guī)RTK的最弱精度與千尋位置的最優(yōu)精度相當(dāng)。從表1與表2可以得出，千尋位置的可見衛(wèi)星數(shù)目平均值較常規(guī)RTK少7.7顆，GPS、GLONASS、BDS三個(gè)星座的可見衛(wèi)星數(shù)目相差較小，由于千尋位置未能接收Galileo衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其平均值則少5.2顆。可見衛(wèi)星數(shù)目少使千尋位置測(cè)量結(jié)果的PDOP值更大，定位精度較常規(guī)RTK弱。

2 不良觀測(cè)條件下分析

為了分析在衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋等不良觀測(cè)條件下千尋位置的測(cè)量精度與性能，采用相同的參考站，兩個(gè)流動(dòng)站架設(shè)在衛(wèi)星信號(hào)受到一定程度遮擋的建筑物附近，緊靠在一起但互不影響。衛(wèi)星截止高度角為15°，PDOP限值為6，采用手簿中的“自動(dòng)限差”功能，在完成初始化后，當(dāng)固定解滿足測(cè)量精度要求時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，本文稱之為“限差內(nèi)固定解”。記錄初始化時(shí)間、獲得限差內(nèi)固定解時(shí)間等，如果限差內(nèi)固定解等待時(shí)間超過20 min則不予記錄并重新開始下一次試驗(yàn)。進(jìn)行了4.75 h共150次千尋位置與常規(guī)RTK的對(duì)比試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均采用“清除衛(wèi)星跟蹤”操作，保證所采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)RTK測(cè)量結(jié)果中出現(xiàn)一次假固定情況，如表3所示。

表3 不良觀測(cè)條件下假固定數(shù)據(jù)情況

從表3數(shù)據(jù)可得，在RTK測(cè)量中，當(dāng)水平精度與垂直精度均較優(yōu)時(shí)，測(cè)量結(jié)果中仍可能存在假固定情況，導(dǎo)致平面和高程方向分別出現(xiàn)2.75 m、4.28 m的粗差。根據(jù)《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)技術(shù)規(guī)范》，截止高度角在15°以上的衛(wèi)星數(shù)目為5顆時(shí)，當(dāng)PDOP值介于4～6之間，測(cè)量成果可用。因此，在樹木高大的山區(qū)、建筑物密集區(qū)等不良觀測(cè)環(huán)境中，當(dāng)可見衛(wèi)星被嚴(yán)重遮擋時(shí)，即便觀測(cè)條件滿足規(guī)范要求，也應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果加強(qiáng)檢核。

將假固定數(shù)據(jù)與限差內(nèi)固定解等待時(shí)間超過20 min未存儲(chǔ)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)剔除后進(jìn)行分析，X、Y、H的坐標(biāo)誤差如圖4所示，水平精度與垂直精度如圖5所示，PDOP值與可見衛(wèi)星數(shù)目如圖6所示，表4、表5分別是定位數(shù)據(jù)與可見衛(wèi)星比較。

圖4 不良觀測(cè)條件下坐標(biāo)誤差

圖5 不良觀測(cè)條件下水平精度與垂直精度

圖6 不良觀測(cè)條件下PDOP值與可見衛(wèi)星數(shù)目

表4 不良觀測(cè)條件下千尋位置與常規(guī)RTK定位數(shù)據(jù)比較

表5 不良觀測(cè)條件下千尋位置與常規(guī)RTK可見衛(wèi)星比較

從圖4、圖5、圖6及表4分析可得，在不良觀測(cè)條件下，千尋位置的內(nèi)符合精度同樣較常規(guī)RTK差，在高程方向上的差距較為明顯。在不良觀測(cè)條件下，常規(guī)RTK的水平精度與垂直精度相對(duì)于千尋位置的優(yōu)勢(shì)更明顯，且穩(wěn)定性更好。

從圖6與表4可以發(fā)現(xiàn)，千尋位置的平均可見衛(wèi)星數(shù)目較常規(guī)RTK多，這是由于千尋位置的初始化與獲得限差內(nèi)固定解的時(shí)間更長(zhǎng)，在限差內(nèi)固定解獲得時(shí)捕獲到了更多的可見衛(wèi)星，同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)其衛(wèi)星空間幾何分布并沒有因?yàn)榭梢娦l(wèi)星數(shù)目增多而得到明顯的改善，導(dǎo)致PDOP值出現(xiàn)圖6中的跳變。根據(jù)《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí)，可見衛(wèi)星數(shù)目不應(yīng)少于5顆，PDOP值不應(yīng)超過6。按規(guī)范對(duì)測(cè)量結(jié)果中不符合觀測(cè)窗口狀態(tài)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，千尋位置與常規(guī)RTK的有效數(shù)據(jù)占比分別為36.6%、76.0%，可見常規(guī)RTK的測(cè)量成果具有更高的可利用率。

從表4與表5可以看出，兩種測(cè)量方法所觀測(cè)到的GPS與GLONASS衛(wèi)星數(shù)目相當(dāng)。對(duì)于BDS衛(wèi)星，在常規(guī)RTK與千尋位置測(cè)量結(jié)果中均出現(xiàn)較多未被捕獲到的情況，其比例分別為90%、41%，導(dǎo)致可見衛(wèi)星平均數(shù)目分別只有0.5顆與2.5顆。與常規(guī)RTK相比，千尋位置由于未能接收Galileo衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其可見衛(wèi)星平均數(shù)目少1.5顆。

為進(jìn)一步討論兩種測(cè)量方法的初始化與獲得限差內(nèi)固定解的時(shí)間情況，將統(tǒng)計(jì)的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7和表6所示，圖7中未列出限差內(nèi)固定解等待時(shí)間超過20 min所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

表6 初始化與獲得限差內(nèi)固定解時(shí)間

圖7 初始化與獲得限差內(nèi)固定解時(shí)間

從圖7及表6可得，千尋位置的初始化時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)37 s，初始化時(shí)間平均值較常規(guī)RTK長(zhǎng)1.4 s，千尋位置與常規(guī)RTK獲得限差內(nèi)固定解的最大時(shí)間分別為1046 s、210 s。對(duì)千尋位置與常規(guī)RTK獲得限差內(nèi)固定解的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，超過1 min的占比分別為10.7%和2.7%，超過2 min的占比分別為8.7%和0.7%，超過20 min仍不能獲得限差內(nèi)固定解的情況千尋位置占比3.3%。獲得限差內(nèi)固定解的平均時(shí)間千尋位置增加35.3 s，是常規(guī)RTK的3.2倍，因此，在不良觀測(cè)環(huán)境中，常規(guī)RTK具有更高的數(shù)據(jù)采集效率。

3 結(jié)論

本文對(duì)千尋位置與常規(guī)RTK兩種測(cè)量方法的定位數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度、初始化與獲得限差內(nèi)固定解的時(shí)間進(jìn)行比較分析，得出如下結(jié)論：

1)在理想觀測(cè)條件下，千尋位置的內(nèi)符合精度、水平精度與垂直精度較常規(guī)RTK差。由于千尋位置未能接收Galileo衛(wèi)星數(shù)據(jù)，Galileo可見衛(wèi)星數(shù)目均值較常規(guī)RTK少5.2顆，總的平均可見衛(wèi)星數(shù)目少7.7顆；在不良觀測(cè)條件下，Galileo可見衛(wèi)星數(shù)目均值較常規(guī)RTK少1.5顆。可見衛(wèi)星數(shù)目少、衛(wèi)星空間幾何分布不佳使千尋位置測(cè)量結(jié)果的PDOP值相對(duì)較大。

2)在可見衛(wèi)星被遮擋的不良觀測(cè)環(huán)境中，當(dāng)觀測(cè)條件滿足規(guī)范要求時(shí)，RTK測(cè)量結(jié)果仍可能存在假固定情況，應(yīng)采用重新初始化、多次重復(fù)觀測(cè)等手段加強(qiáng)數(shù)據(jù)檢核。

3)在不良觀測(cè)條件下，千尋位置的內(nèi)符合精度、水平精度與垂直精度較常規(guī)RTK差，且差距較理想觀測(cè)條件中的明顯。試驗(yàn)中，千尋位置與常規(guī)RTK在不良觀測(cè)條件中的有效測(cè)量成果占比分別為36.6%、76.0%，常規(guī)RTK的測(cè)量成果具有更高的可利用率。

4)在不良觀測(cè)條件下，千尋位置的初始化時(shí)間與常規(guī)RTK的差距較小，但獲得限差內(nèi)固定解的平均時(shí)間是常規(guī)RTK的3.2倍，且出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能獲得限差內(nèi)固定解的情況，常規(guī)RTK的數(shù)據(jù)采集效率更高。