GPS RTK測量技術(shù)的應(yīng)用分析

文琳

摘要：RTK采用載波相位動態(tài)實時差分法（Real-time kinematic），是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的衛(wèi)星定位測量方法，它是GPS技術(shù)的一個分支，也是GPS技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重大里程碑[1]。它的出現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)的控制測量方法，極大提高了控制測量的效率。然而，RTK技術(shù)還存在一些局限性：測量距離超出一定距離、測量區(qū)域有強磁場干擾、基準(zhǔn)站附近存在物理遮擋、太陽黑子爆發(fā)、衛(wèi)星運行導(dǎo)致運算效率不足等因素都會對測量質(zhì)量造成影響。文章根據(jù)GPS RTK測量技術(shù)的作業(yè)原理、基本配置和在控制測量上的應(yīng)用，總結(jié)探究其優(yōu)勢和局限性，簡單分析在實際應(yīng)用中的一些注意事項。

關(guān)鍵詞：GPS RTK技術(shù);控制測量;局限性

近年來，經(jīng)濟的迅速發(fā)展使我國對各種控制測量的需求越來越大，人們對快速高精度位置信息的需求也日益強烈，衛(wèi)星定位技術(shù)的更新和進(jìn)步為解決這些需求提供了條件。目前應(yīng)用范圍最廣泛的高精度定位技術(shù)就是GPS RTK技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵點在于利用了GPS的載波相位觀測量，并根據(jù)基準(zhǔn)站和流動站之間存在的觀測誤差，分析其空間相關(guān)性，通過差分法篩選出流動站觀測數(shù)據(jù)中的大部分誤差，從而實現(xiàn)高精度的定位[2]。關(guān)于如何更高效地使用GPS RTK技術(shù)的研究具備極大的現(xiàn)實意義。

1.GPS RTK的作業(yè)原理和配置

1.1 GPS RTK的工作原理

傳統(tǒng)GPS測量方法需要觀測結(jié)束進(jìn)行解算才能取得厘米級的精度，而RTK測量是以載波相位為根據(jù)的實時差分測量。它的工作原理是：選取一個點建立基準(zhǔn)站，并在基準(zhǔn)站安置GPS接收機;將接收機連接數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，隨時向流動站發(fā)送測量信息和基準(zhǔn)站的位置信息;使用者攜帶GPS接收機，接收來自4顆以上實時觀測衛(wèi)星的信息，同時接收從基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)發(fā)送裝置發(fā)送來的基準(zhǔn)站信息;對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時差分處理，計算出整周模糊度和使用的位置數(shù)據(jù)和精度[3]。

1.2 GPS RTK的基本配置

GPS RTK系統(tǒng)的主要組成部分包括：2臺或以上的GPS接收機，2套或以上的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，4顆以上的觀測衛(wèi)星，專業(yè)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

2.GPS RTK的應(yīng)用

2.1控制測量的含義和發(fā)展

在需要測量的區(qū)域內(nèi)，按照規(guī)定的精度測量一系列關(guān)鍵點的平面位置和立體位置，根據(jù)這些位置的數(shù)據(jù)構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)模型（工程控制網(wǎng)），作為具體測量的依據(jù)，這項測量工作就是控制測量?？刂茰y量是各種測量工作的基礎(chǔ)，也是GPS RTK技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的控制測量通常會采用三角網(wǎng)法和導(dǎo)線網(wǎng)法，對人力物力需求大，測量時間長，要求點間通視，精度質(zhì)量容易分布不均。而采用常規(guī)的GPS進(jìn)行控制測量，在測量過程中不能實時獲取精準(zhǔn)的定位信息，必須事后計算。如果測量中出現(xiàn)問題，在數(shù)據(jù)處理時發(fā)現(xiàn)精度不符合需求，還必須再次進(jìn)行測量[4]。用RTK來進(jìn)行控制測量，能夠?qū)崟r知道定位精度，如果該精度滿足使用者的需求，就可以停止測量了，而且知道測量質(zhì)量如何。這樣可以大大提高作業(yè)效率，一般情況下，使用RTK進(jìn)行控制測量，測一個控制點的時間在幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成。

2.2 GPS RTK在控制測量上具體作業(yè)流程

目前，使用RTK進(jìn)行控制測量的精度已經(jīng)可以精確到厘米級，能滿足地理地形測量中的圖根控制測量和一般工程的控制測量，除了對精度要求非常高的控制測量會使用GPS靜態(tài)相對定位外，大部分控制測量均采用RTK技術(shù)。

RTK做控制測量的一般方法是：①建立基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站通常建立在地勢較高且觀測條件較好的點。②在基準(zhǔn)站放置GPS接收機和數(shù)據(jù)傳輸裝置。③在GPS控制手簿中輸入基準(zhǔn)站的WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)值。④在測量區(qū)域內(nèi)選取三個以上的控制點，要求分布均勻。在GPS手簿中輸入控制點的WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)值，GPS手簿能自動計算控制點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。⑤將GPS流動站放置在待定點上進(jìn)行測量，開啟快速靜態(tài)模式。流動站GPS在接收4顆或以上觀測衛(wèi)星的GPS信號時還接收來自基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸裝置的信號，把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時差分處理，即可計算出流動站的坐標(biāo)值。⑥此時，GPS手簿上會實時顯示點位坐標(biāo)值及其精度，當(dāng)精度滿足使用者的實際需求時即可保存數(shù)據(jù)并停止觀測。整個過程一般在3分鐘～5分鐘左右。根據(jù)大量實踐表明，用RTK進(jìn)行控制測量的精度通常會保證在lcm～2cm左右。

2.3 GPS RTK在應(yīng)用上的實例

我國“皖電東送”工程的完工是GPS RTK技術(shù)應(yīng)用的典范。施工點在近200m的高空，施工距離跨越了整個淮河，實現(xiàn)了我國電網(wǎng)技術(shù)的突破。該工程應(yīng)用高精度GPS RTK測量技術(shù)，憑借精確的GPS RTK定位功能、厘米級精度、實時數(shù)據(jù)處理、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍匦栽诙鄠€方面發(fā)揮作用。為設(shè)計、施工及決策人員提供精確的數(shù)據(jù)來源，為電力系統(tǒng)信息化的建設(shè)和管理提供可靠的依據(jù)。

3.GPS RTK的局限性

使用GPS RTK進(jìn)行控制測量有著定位精度高、測量時間短、能提供三維坐標(biāo)、操作簡單、全天候作業(yè)、測量站之間無須通視等優(yōu)點，但由于其白身所具備的一些局限，在實際應(yīng)用中需要注意以下事項。

3.1測量距離有限

RTK技術(shù)在實際應(yīng)用時最大問題是各個站點之間的有效數(shù)據(jù)處理距離較短。GPS誤差的空間相關(guān)性會隨著基準(zhǔn)站和流動站距離的增加而逐漸失去線性。當(dāng)測量距離超過一定限度時（單頻lOkm，雙頻30km），差分處理后的用戶數(shù)據(jù)會含有較大的測量誤差，導(dǎo)致定位精度不足[5]。在保證定位精度的前提下，傳統(tǒng)的單機RTK技術(shù)測量距離非常有限。

3.2抗干擾能力較弱

（1） GPS RTK技術(shù)對于基準(zhǔn)站的選取有較高的要求?；鶞?zhǔn)站需要選在測量區(qū)域的中央，最好是地勢偏高的地方，旁邊不能有大面積的水面或高大、密集的樹林或者建筑物群，否則會對衛(wèi)星的觀測起到物理遮蔽效果。（2）測量區(qū)域內(nèi)不能有強磁場干擾。GPS信號極易受到強磁場干擾，在使用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測量時，需避開強磁場活動區(qū)域。各種信號線和電源線不能卷起來，否則會因為渦流產(chǎn)生人工磁場，對GPS信號造成影響。

3.3其他局限

太陽黑子爆發(fā)對GPS信號的干擾遠(yuǎn)大于強磁場。使用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行控制測量工作前要了解和搜集太陽活動信息，避開太陽黑子爆發(fā)期，選擇平靜期進(jìn)行控制測量。還需要注重測量作業(yè)前的衛(wèi)星星歷預(yù)報，保證RTK測量的有效觀測衛(wèi)星不少于4顆，確保控制測量數(shù)據(jù)的獲取效率。

4.GPS RTK技術(shù)的發(fā)展

4.1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代中期，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們找到了克服傳統(tǒng)GPS RTK技術(shù)局限性的方法。科學(xué)家提出了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中，區(qū)域型的GPS網(wǎng)絡(luò)誤差模型取代了線性衰減的單點GPS誤差模型。用多個基準(zhǔn)站組成的GPS網(wǎng)絡(luò)來計算單個區(qū)域的GPS誤差模型，為網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域的使用者提供精準(zhǔn)的校正數(shù)據(jù)。使用者接收到的不再是實際基準(zhǔn)站的測量數(shù)據(jù)，而是一個虛擬基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)和距離自己最近的基準(zhǔn)站的校正數(shù)據(jù)。

4.2藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用

21世紀(jì)初，藍(lán)牙技術(shù)成為流行的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。它是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信的開放性全球規(guī)范。藍(lán)牙技術(shù)被應(yīng)用于GPS RTK技術(shù)上，作為接收機，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和GPS手簿之間的一種高效數(shù)據(jù)傳輸途徑。各個部件不再需要過多的電線進(jìn)行連接，不僅減少了人工磁場干擾的可能性，還實現(xiàn)了在數(shù)十米范圍內(nèi)用GPS手簿進(jìn)行遙控操作。藍(lán)牙技術(shù)還讓GPS和筆記本電腦進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，利用筆記本電腦上的先進(jìn)數(shù)據(jù)處理軟件對GPS數(shù)據(jù)實時獲取和處理。

5.結(jié)語

GPS RTK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)，其最基本的原理是基準(zhǔn)站接收機實時地把測量數(shù)據(jù)和已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機。當(dāng)數(shù)據(jù)量不大時，要求9600的波特率，這在無線電上不難實現(xiàn)。但當(dāng)數(shù)據(jù)量很大時，無線電臺已無法滿足需求。更高效更精確的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是GPS RTK進(jìn)步的根基。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，RTK技術(shù)已由傳統(tǒng)的1+1或1+2發(fā)展到了廣域差分GPS系統(tǒng)（ WADGPS），在很多區(qū)域建立起CORS系統(tǒng)，大大提高了RTK的測量距離;在數(shù)據(jù)傳輸方面實現(xiàn)了飛躍式進(jìn)步，由一開始的電臺傳輸?shù)浆F(xiàn)在的GPRS和GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率和范圍[7]。在測量儀器方面，不僅精度高，而且比傳統(tǒng)的RTK更簡潔、容易操作。隨著RTK技術(shù)的不斷進(jìn)步，RTK技術(shù)必然會被應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。

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