GPS-RTK測量CORS模式結(jié)合電臺模式在地形測量中的應(yīng)用

羅 衡

（湖南省城市地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測所，湖南 常德 415000）

1 RTK技術(shù)的概念

GPS-RTK技術(shù)，是指在運用GPS（全球定位系統(tǒng)）測量時，通過采用載波相位動態(tài)實時差分(Real-time kinematic)方法，實現(xiàn)各點坐標(biāo)的實時計算、實時輸出。在GPS測量方法中，靜態(tài)、快速靜態(tài)等高精度測量必須采用載波相位觀測，并需要事后對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK技術(shù)則能夠在測量中實時獲得厘米級的定位精度，即能夠?qū)崟r、快速地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，不需要后期數(shù)據(jù)處理，操作起來十分方便，在各種工程測量中極大地提高了作業(yè)效率。

2 RTK的工作原理

RTK技術(shù)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站和流動站兩個部分組成?；鶞?zhǔn)站：在一定的觀測時間內(nèi)，由一臺或幾臺接收機分別固定在一個或幾個固定測站上，一直保持連續(xù)觀測所有可視衛(wèi)星信號，其余接收機在這個測站的一定范圍內(nèi)流動設(shè)站作業(yè)，這些固定測站就稱為基準(zhǔn)站。流動站：在基準(zhǔn)站的一定范圍內(nèi)流動作業(yè)的接收機所設(shè)立的測站。RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站和流動站都在觀測、接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，與此同時基準(zhǔn)站將接收到的載波相位信號或者載波相位差分改正信號發(fā)送給流動站，流動站通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的信號進(jìn)行實時差分處理，在不到1秒的處理時間內(nèi)得出厘米級的定位結(jié)果。在實際運用中，根據(jù)基準(zhǔn)站和流動站之間傳遞信息模式的不同，可以分為網(wǎng)絡(luò)CORS模式和電臺模式。

2.1 網(wǎng)絡(luò)CORS模式工作原理

圖1 網(wǎng)絡(luò)CORS工作原理圖

網(wǎng)絡(luò)CORS模式，是根據(jù)需要按一定距離建立常年連續(xù)運行的一個或若干個固定的已知位置的GPS基準(zhǔn)站，每一個基準(zhǔn)站都是一個單基站系統(tǒng)。用戶在野外作業(yè)中，基準(zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)和已知位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對計算出差分?jǐn)?shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，流動站在觀測接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時接收到基準(zhǔn)站發(fā)送出來的差分?jǐn)?shù)據(jù)信息，以便實時解算出流動站的厘米級的定位結(jié)果。也就是說，基準(zhǔn)站和流動站之間的差分?jǐn)?shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)播。網(wǎng)絡(luò)CORS模式的出現(xiàn)將RTK技術(shù)推向了一個新的發(fā)展方向，也是衛(wèi)星定位技術(shù)的重要發(fā)展方向，給測繪行業(yè)帶來深刻的變革。

2.2 電臺模式工作原理

電臺模式，是指在網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不良的情況下，固定的GPS基準(zhǔn)站與流動站之間無法通過通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時的信號傳輸，而需要作業(yè)人員自行安置1臺接收機作為基準(zhǔn)站，依靠電臺電磁波傳輸?shù)姆绞絺鬟f信號。首先基準(zhǔn)站通過對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，將其觀測值與基準(zhǔn)站測站坐標(biāo)信息進(jìn)行計算，得出差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)通過電臺發(fā)送給流動站，與此同時，流動站在接收衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的同時通過電臺接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)，并進(jìn)行計算處理，最終得出所需要的厘米級坐標(biāo)數(shù)據(jù)。也就是說，RTK所使用的差分靠電臺來進(jìn)行傳遞。

圖2 電臺模式工作原理圖

3 電臺模式與CORS模式分別野外數(shù)據(jù)采集實例

以某礦區(qū)地形測繪為例，測繪作業(yè)主要包括前期資料收集、控制測量、野外地形測量和內(nèi)業(yè)成圖等幾大步驟，其中在野外地形測量的環(huán)節(jié)中根據(jù)環(huán)境分別采用CORS模式和電臺模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測量。

3.1 前期資料收集

3.1.1 項目測區(qū)概況

為合理地開發(fā)利用土地資源，進(jìn)一步探明礦區(qū)遠(yuǎn)景儲量，受甲方委托，開展某礦區(qū)采礦權(quán)區(qū)域內(nèi)約4平方公里范圍的1∶2000比例尺地形測繪工作，為地質(zhì)礦產(chǎn)普查設(shè)計及規(guī)劃提供地形圖紙資料。測區(qū)內(nèi)植被茂密，人煙稀少，除有少量房屋和水田外，其余多山地。其中最高海拔為468.1m，最低海拔為85.5m，大部分地區(qū)為成林及灌木叢，部分地區(qū)山勢陡峻，通行和通視條件困難，給野外測量工作帶來一定的難度。

3.1.2 項目資料收集

測區(qū)內(nèi)有甲方提供小比例尺地形地質(zhì)圖作為測區(qū)控制網(wǎng)選點及工作路線圖的使用依據(jù)，在測區(qū)附近收集到3個C級GPS控制點,來源于湖南省2005年大地水準(zhǔn)精華平面控制網(wǎng)，經(jīng)實地勘察控制點點位保存完好，控制點資料齊全，故以該3點作為起算點建立測區(qū)首級控制網(wǎng)，控制測區(qū)精度。

3.1.3 主要技術(shù)要求

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，中央子午線為111°00′。37度帶；高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)；地形圖采用GPS-RTK野外數(shù)字成圖，比例尺為1∶2000。

3.2 野外測量

3.2.1 控制測量

根據(jù)測區(qū)情況，首先利用C級控制點在測區(qū)布設(shè)6個E級GPS點，觀測采用靜態(tài)定位模式進(jìn)行作業(yè)，控制整個測區(qū)范圍，用于圖根控制點加密與GPS-RTK地形測量。

（1）根據(jù)測區(qū)的實際情況，在布設(shè)控制點時綜合考慮到以下因素：一是選在視野較為開闊，周邊無障礙物并便于測圖使用及儀器安裝操作之處；二是符合技術(shù)設(shè)計要求，有利于其它測量手段進(jìn)行擴展與聯(lián)測；三是交通便利于作業(yè)，遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、微波站等)，以利于GPS觀測的信號接收，以提高作業(yè)效率；四是易于長期保存，有利于安全作業(yè)?？刂泣c點位采用混凝土預(yù)制而成，測量控制點的標(biāo)石為現(xiàn)場澆制，采取不銹鋼測量十字釘作為固定標(biāo)志，測量十字釘其露出標(biāo)石上表面的長度約5mm。同時在旁邊醒目顯眼處用油漆噴涂點號。

（2）為了滿足測圖需求，需在測區(qū)進(jìn)行圖根控制點的加密測量，圖根點全部采用臨時標(biāo)志，布設(shè)在點位易保留的地方，如基礎(chǔ)穩(wěn)定，土質(zhì)堅實的地上，以鐵釘和木樁為主，在泥土地段打入木樁，在水泥路面與基巖地段打入鐵釘并用紅油漆噴涂做好標(biāo)記。圖根點在首級控制的基礎(chǔ)上采用RTK直接觀測平面位置和高程，RTK觀測時應(yīng)首先采用三腳架進(jìn)行對中、整平，然后采集圖根點坐標(biāo)，每點觀測次數(shù)應(yīng)不少于兩次，各測量的平面坐標(biāo)較差應(yīng)不大于2cm；每點測量的坐標(biāo)取平均值作為最終結(jié)果。

3.2.2 地形測圖

本測區(qū)植被茂密，并且測區(qū)很大范圍移動網(wǎng)絡(luò)信號差，因此在野外測量的地形測圖中分別采用電臺模式結(jié)合CORS模式，即在網(wǎng)絡(luò)信號好的地段采用CORS模式，網(wǎng)絡(luò)信號差或無網(wǎng)絡(luò)信號的地方采用電臺模式。

（1）CORS模式測圖作業(yè)：

在網(wǎng)絡(luò)信號較好地段，通過采用湖南省CORS系統(tǒng)，僅需一臺雙頻GPS衛(wèi)星定位接收機來用作流動站進(jìn)行測量工作，無需另行自己架設(shè)基準(zhǔn)站。本項目使用儀器為中海達(dá)V90作為接收機，其操作流程如下：

①在保證網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通的情況下，完成中海達(dá)V90儀器的IP、端口、CORS賬號及賬號密碼等設(shè)置。②儀器設(shè)置完成連上后，需在已知控制點上進(jìn)行坐標(biāo)核對，檢校無誤后進(jìn)入即可開始測圖作業(yè)。③如果開機設(shè)置后長時間內(nèi)無法登陸CORS網(wǎng)絡(luò)，可以先關(guān)機，然后再次連接登陸CORS網(wǎng)絡(luò)，同時檢查手機卡是否欠費，如若一直沒有CORS基站信號，就需要跟CORS控制中心聯(lián)系；

（2）電臺模式測圖作業(yè)：

在網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋較差地段，需使用兩臺設(shè)備分別作為基準(zhǔn)站和流動站，使用電臺模式進(jìn)行RTK測量，本項目作業(yè)中使用兩臺設(shè)備均為中海達(dá)V90。其中，基準(zhǔn)站的選址時綜合考慮到以下幾點因素：一是考慮GPS電臺的覆蓋能力和功率，盡量設(shè)置與地勢相對較高的地方，確保電臺作用最大程度獲取較遠(yuǎn)距離；二是視野比較開闊且注意站間間距；三是遠(yuǎn)離高壓變電。根據(jù)環(huán)境條件將基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點上或者未知點上，其具體作業(yè)流程如下：

①架設(shè)基準(zhǔn)站：架好三腳架，把1臺中海達(dá)V90作為基準(zhǔn)站固定好基座上（如架設(shè)在已知點上，嚴(yán)格的對中整平），開機基準(zhǔn)站。②設(shè)置基準(zhǔn)站：使用中海達(dá)V90手薄藍(lán)牙連接基準(zhǔn)站后進(jìn)基準(zhǔn)站設(shè)置工作模式及參數(shù)。③設(shè)置流動站：使用另一臺1臺中海達(dá)V90手薄設(shè)置成流動站及參數(shù)，注意設(shè)置參數(shù)與基準(zhǔn)站一致，并新建工程設(shè)置對應(yīng)坐標(biāo)系及中央子午線等。④控制點校正：首先使用移動站采集控制點的原始坐標(biāo)，然后在手薄里面找到控制點坐標(biāo)庫界面中點擊“添加”控制點的已知坐標(biāo)和原始坐標(biāo)，求取四參數(shù)一般至少2個控制點，當(dāng)所有的控制點都輸入完后，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行核對，確定無誤后，點擊“保存”，計算求取四參數(shù)，計算出來四參數(shù)以后，檢查一下縮放控制在0.9999到1.00000以內(nèi)，高程最大殘差控制在0.03m以內(nèi)。⑤注意事項：一是在使用電臺模式期間，避免隨意修改基準(zhǔn)站的電臺發(fā)射頻道，如要修改發(fā)射頻道，則流動站也需要修改與基準(zhǔn)站相應(yīng)的頻道，否則流動站將會無法接收到差分信號，只能頻道相同才能正常工作；二是架設(shè)基站站的腳架需要踩實，以防止基準(zhǔn)站在測量過程中滑動，并要專人負(fù)責(zé)看守；三是當(dāng)流動站未能收到差分信號時，首先檢查基準(zhǔn)站是否已斷電或可能是障礙物影響及流動站已超出作業(yè)距離等因素，這時候要考慮在開闊的地方重新設(shè)置基準(zhǔn)站。

3.3 內(nèi)業(yè)成圖

作業(yè)小組當(dāng)天外業(yè)結(jié)束以后，由作業(yè)員把手薄里的測量數(shù)據(jù)生成dat格式文件然后傳輸?shù)诫娔X上，繪圖員根據(jù)草圖利用南方CASS成圖軟件進(jìn)行繪圖,并要求每天按時完成野外觀測數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)問題時能及時記錄或處理問題，一般這個工作需要當(dāng)天完成，才能避免遺忘和測漏，確保成果數(shù)據(jù)不會造成影響。

3.4 RTK測圖時需要注意的問題測量時相關(guān)注意事項

在地形圖測繪時，若遇到茂密高大的樹木影響，往往可能導(dǎo)致衛(wèi)星信號接收效果差，可以使用加長測桿高度的辦法，為了保證測量精度和測量效率，需要時能采用和全站儀常規(guī)測量相結(jié)合的方式；

在測量碎部點坐標(biāo)數(shù)據(jù)時，浮動解和單點解時不可采集數(shù)據(jù)，需要等到固定解方可測量坐標(biāo)；

應(yīng)根據(jù)天氣情況在實際作業(yè)中對測量時間進(jìn)行合理確定，以保證工作順利開展；

為保證每次測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在作業(yè)開始前、結(jié)束后檢測已知點，一定要做比測，從而保證其準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度。

當(dāng)在遮擋物比較嚴(yán)重的影響下（如植被茂密的樹林底下）測量時，會出現(xiàn)衛(wèi)星分布情況較差，RTK可能會偶爾出現(xiàn)“偽固定”的現(xiàn)象，這種情況下需多測幾次進(jìn)行數(shù)據(jù)比對分析來保證成果精度。

4 CORS模式和電臺模式特點對比

結(jié)合測量實例以及工作原理，兩種模式特點對比如表1所示。

表1 兩種模式優(yōu)缺點對比

5 結(jié)論及建議

綜上分析，電臺模式和CORS模式各有優(yōu)缺點，在實際工作中應(yīng)根據(jù)客觀情況來進(jìn)行選擇，比如一般情況下，首先確認(rèn)測區(qū)是否建有CORS系統(tǒng)，若建有該系統(tǒng)，則再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號情況選擇使用何種模式：網(wǎng)絡(luò)信號良好處選擇CORS模式，網(wǎng)絡(luò)信號不佳或者無網(wǎng)絡(luò)信號處采用電臺模式。若測區(qū)未建立CORS系統(tǒng)，則通過電臺模式來進(jìn)行RTK測量。不管是電臺模式還是CORS模式，都能提供一個安全、可靠、實用的數(shù)據(jù)傳輸方法，大大提高了工作效率，產(chǎn)生了良好的社會效益和較好的經(jīng)濟(jì)效益，隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善與發(fā)展，GPS RTK測量中將在多個行業(yè)得到更為廣泛的應(yīng)用。