RTK定位系統(tǒng)中GPS測量技術(shù)在水利水電工程測量中的應(yīng)用研究

賈秀芳

(河北省石家莊水文勘測研究中心,石家莊 050000)

0 引 言

水利水電工程測量是指在水利水電工程建設(shè)中,通過使用測量技術(shù)和儀器設(shè)備,對工程地形、水文水資源、水力特性等進(jìn)行精確測量和分析的過程[1]。水利水電工程測量涉及工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測和運(yùn)維等各個階段[2]。在水利水電工程測量中,常用的測量方法和技術(shù)包括全站儀測量、水準(zhǔn)測量、GPS定位、遙感技術(shù)、雷達(dá)測量等[3]。

而實(shí)時動態(tài)(Real-time Kinematic, RTK)屬于一種以載波相位觀測值為基礎(chǔ),進(jìn)行實(shí)時動態(tài)相對定位的技術(shù)。在觀測定位過程中,RTK具有厘米級精度,作為一種新型衛(wèi)星定位測量方法,受到水利水電工程測量的青睞[4-5]。但在工程實(shí)踐中,因其具有自成體系、界面協(xié)議未公開、體積龐大、價格昂貴等特點(diǎn),不適于用于小規(guī)模目標(biāo)探測,也不能與分機(jī)集為一體來實(shí)現(xiàn)多源信息的同步探測。

因此,本文以GPS技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一套適合進(jìn)行水利水電工程測量的RTK定位系統(tǒng),以期實(shí)現(xiàn)水利水電工程的精確、快速測量。

1 面向水利水電工程測量的GPS測量優(yōu)化

1.1 基于M8P的RTK系統(tǒng)設(shè)計(jì)及位置定位

RTK系統(tǒng)的組成包括基站和移動站,兩者配置無顯著差異,最大的區(qū)別在于其安裝方式和流程,因此通常以安裝方式來對其進(jìn)行區(qū)分[6]。在GNSS系統(tǒng)中,由于各類誤差的存在,導(dǎo)致系統(tǒng)的整體誤差,進(jìn)而影響系統(tǒng)的定位精度。RTK定位系統(tǒng)是一種差分GPS定位系統(tǒng),其差分原理是利用接收機(jī)觀測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,從而產(chǎn)生一套全新的、不依賴于觀測者測量結(jié)果的測站坐標(biāo)系。由于GNSS系統(tǒng)中存在著眾多相互聯(lián)系但又獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星、基站和接收機(jī)等設(shè)備,因此產(chǎn)生了大量基于各種儀器設(shè)備上所形成的誤差。由于衛(wèi)星存在一定的時空相關(guān)性,所以不同接收器在同一區(qū)域所測量得到的誤差也存在一定相關(guān)性,其中部分接收器的誤差分量還會出現(xiàn)完全一致的現(xiàn)象[7-8]。其原理圖見圖1。

圖1 RTK系統(tǒng)

由圖1可知,在RTK系統(tǒng)中,各基站會將自己的坐標(biāo)信息與衛(wèi)星共享,同時接收衛(wèi)星數(shù)據(jù),最后基站會將接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基站坐標(biāo)信息進(jìn)行打包,同時傳輸?shù)揭苿诱?。此時,移動站將會采用差分處理的方式,處理基站信息和衛(wèi)星數(shù)據(jù),并計(jì)算移動站的坐標(biāo)信息,同時將其同步到基站,實(shí)現(xiàn)移動站的定位。在GNSS技術(shù)中,各種誤差會引起總體誤差,從而對定位精度產(chǎn)生影響[9]。誤差因素包括衛(wèi)星時鐘、衛(wèi)星軌道、光速、信號形成時間誤差測量、多路徑、衛(wèi)星幾何形狀[10-11]。其中,衛(wèi)星星歷導(dǎo)致的誤差是以內(nèi)在空間運(yùn)行時,軌道會受到來自各方向的因素打擾,而導(dǎo)致衛(wèi)星的軌道復(fù)雜化與無序運(yùn)行。衛(wèi)星軌道造成的基線誤差值以公式表示如下:

式中:ΔY為衛(wèi)星軌道的誤差值;Δy為衛(wèi)星軌道造成的基線誤差;l為基線長度;ΔY(m)為衛(wèi)星軌道的誤差最大。

因此,在短基線RTK定位中,雙差定位模式對短基線RTK定位具有很好的抑制作用。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是一種將衛(wèi)星與無線通信技術(shù)相結(jié)合的新型導(dǎo)航系統(tǒng),它向接收端發(fā)送無線信號,并通過該信號推算出接收端的精確位置。GNSS衛(wèi)星對接收端的空間位置進(jìn)行測量,其最基本的觀測數(shù)據(jù)為載波相位觀和偽距觀測量。偽距觀測值的表達(dá)式如下:

ρ=c·(ti-tk)

(2)

式中:tk為發(fā)出信號的時刻;ti為接收到信號的時刻;ρ為偽距觀測值;c為衛(wèi)星與用戶的幾何距離。

載波相位測量就是接收端發(fā)射的載波相位和接收端發(fā)射的信號之間的差異,而載波相位的改變本身就蘊(yùn)含了距離信息,若能測量載波相位,則可推導(dǎo)出接收端到衛(wèi)星之間的距離(相位改變×波長=距離)。接收機(jī)在測量中所得到的載波相位不完整,因此在測量記錄時,每個相位的觀測值便會被處理成一個模糊值,即表現(xiàn)出全周模糊性。載波相的第一個觀測為一周以內(nèi)的十進(jìn)制相,而不能觀察到一周模糊。在此基礎(chǔ)上,通過4顆衛(wèi)星的聯(lián)合觀測,可以獲得厘米級的精度。不同于偽距觀測量,載波相位觀測量精度較高,其所適用范圍也越廣。

為此,RTK系統(tǒng)選擇載波相位觀測量,其難點(diǎn)是如何確定模糊度的定解。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,將探測控制主機(jī)設(shè)定為基站,每個探測機(jī)都設(shè)定為移動臺,NEO-M8P-0作為移動臺電路部件,NEO-M8P-2用作基站電路部件,基站電路部件利用通訊鏈表向移動臺傳送 RTCM協(xié)議格式的數(shù)據(jù),并由移動臺的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以厘米級的精度輸出位置數(shù)據(jù)。

1.2 GPS-RTK測量技術(shù)在水利水電工程測量中的應(yīng)用研究

在水利水電工程測量中,高程測量是一項(xiàng)比較基本的工作。在水利水電工程高程測量中,利用GPS測量技術(shù),可以通過對衛(wèi)星信號的分析,得到大地高程,并與水準(zhǔn)儀等儀器相結(jié)合,計(jì)算出高程的差值,從而確定測量點(diǎn)的高程[12]。在得到相關(guān)數(shù)據(jù)后,要對其進(jìn)行分析處理,對所得到的實(shí)際數(shù)據(jù),按照實(shí)際要求進(jìn)行篩選、分類,將不需要的信息排除掉,然后進(jìn)行平差計(jì)算,確定相同基線邊的同步觀測值和平差結(jié)果,保證計(jì)算的精度。之后要對得到的GPS網(wǎng)與坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行高效變換,得到所需的數(shù)據(jù)信息。

RTK實(shí)時動態(tài)測量技術(shù)主要依靠載波相位觀測來實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測,它是測量技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一個里程碑,它的出現(xiàn)和應(yīng)用有著非常重要的意義。全球定位系統(tǒng)(GPS)是世界上首個可完全運(yùn)行的全球?qū)Ш叫l(wèi)星(GNSS)系統(tǒng),既可用于民用,也可用于軍用[13]。GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

由圖2可知,該系統(tǒng)由3個部分組成,即空間部、用戶部和地面控制部。太空區(qū)段包括全部正在運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星;地面控制部分為整個地面站,包括主控站、監(jiān)控站、地面控制站;用戶是指全部民用及軍事用戶[14]。為了提高現(xiàn)場工作效率,提高現(xiàn)場勘察質(zhì)量,必須做好相關(guān)的前期準(zhǔn)備工作。除了對設(shè)備進(jìn)行定期檢查之外,對縱、橫剖面的測量也要盡量采用GPS-RTK技術(shù)。GPS-RTK技術(shù)的定位原理見圖3。

圖2 GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 GPS-RTK技術(shù)的定位原理

由圖3可知,GPS-RTK系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站、流動站兩部分?；鶞?zhǔn)站是指在高程、高海拔的已知參考點(diǎn)上,利用GPS衛(wèi)星對其進(jìn)行跟蹤觀測,并將參考站的位置、高程等信息實(shí)時傳送給流動站。RTK-GPS測量系統(tǒng)的工作效率與定位精度均高于其他系統(tǒng),同時受氣候、季節(jié)、能見度等因素的影響甚少,且操作簡單。

在水利水電項(xiàng)目中,經(jīng)常需要進(jìn)行橫、縱剖面測繪,對土方的數(shù)量進(jìn)行精確估算,從而為編制施工預(yù)算和施工計(jì)劃提供參考。在斷面測繪中,采用GPS-RTK技術(shù),使施工人員能及時提供渠道的縱、橫斷面信息,精確設(shè)定渠基至中線的間距,從而為工程的標(biāo)準(zhǔn)化和合理化操作創(chuàng)造條件。

GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用在水利水電工程中,采用“同步圖形擴(kuò)展式”和“異步閉合環(huán)”兩種方法進(jìn)行布設(shè)。但采用“異步閉合環(huán)”法時,運(yùn)行過程較為繁瑣,并且容易受外部因素的影響。因此,要保證精度,必須對基準(zhǔn)站進(jìn)行合理布設(shè)。數(shù)據(jù)采集與處理見圖4。

圖4 GPS-RTK技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理

由圖4可知,GPS-RTK技術(shù)在測繪應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集中,首先將基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)運(yùn)輸至流動站,并對其進(jìn)行質(zhì)量檢測;對經(jīng)過質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析與處理。GPS-RTK技術(shù)一般在實(shí)際測繪工作中,必須對測區(qū)的實(shí)際狀況有充分的認(rèn)識與把握,并據(jù)此進(jìn)行合理布設(shè),以保證后續(xù)測繪工作的順利開展;應(yīng)嚴(yán)格遵守有關(guān)規(guī)程、規(guī)范,合理布設(shè)測網(wǎng),確保測網(wǎng)合理。通過對GPS-RTK布設(shè)情況的分析,確定GPS-RTK的布設(shè)水平,并對其進(jìn)行合理的布設(shè),從而提高RTK的精度和工作效率。

2 RTK系統(tǒng)性能分析與水利水電工程測量應(yīng)用

2.1 RTK系統(tǒng)的性能分析與對比

在搜索模糊度固定解之前,采用降相關(guān)方法,將模糊度浮點(diǎn)解與協(xié)方差陣進(jìn)行降相關(guān),以減少之間的相關(guān)性,然后再尋找一種固定的模糊度解集。該方法能夠有效降低搜索過程中的局部極值,并將其轉(zhuǎn)化為單峰函數(shù),從而有效提升尋優(yōu)速度與成功率。為了了解研究所設(shè)計(jì)的RTK系統(tǒng)的有效性,對比分析優(yōu)化系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)之間的適應(yīng)度值差異,結(jié)果見圖5。

圖5 優(yōu)化RTK系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的差異比較

由圖5可知,傳統(tǒng)RTK系統(tǒng)和優(yōu)化RTK系統(tǒng)都可以搜索到全局最優(yōu)解,但很明顯,優(yōu)化RTK系統(tǒng)的收斂速度比傳統(tǒng)RTK系統(tǒng)的收斂速度要大,表明優(yōu)化RTK系統(tǒng)的搜索效率比傳統(tǒng)RTK系統(tǒng)要高,驗(yàn)證了優(yōu)化RTK系統(tǒng)的有效性。

迭代前后定位散亂點(diǎn)的空間分布情況以及優(yōu)化系統(tǒng)迭代訓(xùn)練后的定位點(diǎn)分布變化見圖6。

圖6 定位點(diǎn)空間分布圖

圖6中,在優(yōu)化RTK系統(tǒng)的一次解算試驗(yàn)中,定位點(diǎn)較為分散。由圖6(a)可以看出,定位點(diǎn)分散在搜索空間的四面八方,經(jīng)計(jì)算,其適應(yīng)度值最大達(dá)到0.890 0。當(dāng)?shù)螖?shù)不斷增加時,所搜索到的定位點(diǎn)不斷增加,由圖6(b)可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)所需要的定位點(diǎn)逐漸減少。原因在于在搜索中的重復(fù)點(diǎn)增加,系統(tǒng)在幾次跳出局部最優(yōu)解之后,從空間中獲取得到有效定位點(diǎn)的最大值。在此過程中,重復(fù)的定位點(diǎn)開始逐漸歸一化,進(jìn)而確定最終的定位。結(jié)果表明,研究所提出的系統(tǒng)具有很好的優(yōu)化特性,能達(dá)到快速、精確地定位目標(biāo)。

2.2 GPS-RTK測量技術(shù)在水利水電工程斷面測量中的應(yīng)用

在斷面測量領(lǐng)域,常用的勘測方法包括傳統(tǒng)勘測方法、GPS-RTK技術(shù)、免棱鏡全站儀技術(shù)。GPS-RTK測量技術(shù)在水利水電工程斷面測量中,采用不同的勘測方法和勘測工況。其中,特殊工況1為人員能夠到達(dá),但實(shí)施測量的強(qiáng)度高;特殊工況2為人員無法到達(dá),僅能采取目測方法;特殊工況3為人員無法到達(dá),且無法目測的情況。3種不同特殊工況下的比較結(jié)果見表1。

由表1可知,采用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行水利水電工程中的斷面測量,在測量人數(shù)、各種工況的適用范圍、測量時間和所帶設(shè)備的重量等方面都有顯著優(yōu)點(diǎn),極大地減少了作業(yè)人員,縮短了作業(yè)時間,降低了工作人員背負(fù)的重量,尤其適合在山區(qū)復(fù)雜地形條件下的水利水電工程橫斷面的測量。

表1 3種特殊工況下的斷面測量比較

與傳統(tǒng)水利工程中所得到的橫斷面數(shù)據(jù)相比,不同勘測方法得到的橫斷面數(shù)據(jù)差異較大。這主要是由于在測量橫截面時,所測的點(diǎn)有可能是不一樣的,如果用不同點(diǎn)的高程來對比,就會變得沒有任何意義。因此,在比較各組橫截面數(shù)據(jù)之間的誤差時,可以使用一種整體分析比較的方法,研究使用高差比較法來進(jìn)行比較。該方法指的是將需要對比的測量方法獲得的橫截面地面線與標(biāo)準(zhǔn)地面線地形變化點(diǎn)之間的高差絕對值之和,得出的數(shù)值越小,則表示該方法測量橫截面的精度越高。

在河北石家莊滹沱河防洪綜合整治工程中,利用GPS-RTK測量技術(shù)進(jìn)行地形測量。滹沱河屬于海河流域子牙河水系,承擔(dān)著重要的防洪任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)防洪達(dá)標(biāo),工程采取擴(kuò)挖疏浚和整理措施。采用GPS-RTK方法進(jìn)行高程測量,基準(zhǔn)站采用1臺南方S82-2013進(jìn)行架設(shè),流動站同樣采用南方S82-2013。該系統(tǒng)的水準(zhǔn)測量精度優(yōu)于5cm,能夠滿足疏浚工程的施工及測量精度要求。選擇適宜的位置設(shè)立RTK基準(zhǔn)站,然后使用RTK移動站分別在各控制點(diǎn)進(jìn)行觀測與計(jì)算,結(jié)果見圖7。

圖7 水深探測數(shù)據(jù)波形圖

由圖7可知,在數(shù)據(jù)組10和14中出現(xiàn)了異常數(shù)據(jù),需要進(jìn)行手動矯正。可以看出,GPS-RTK技術(shù)的測量精度較高,可以敏銳捕捉到數(shù)據(jù)的波動,并觀測異常數(shù)據(jù),并且能夠很好地滿足高程測量的精度要求,能夠提高測量效率,為水利工程的設(shè)計(jì)和規(guī)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支持。同時,由于GPS-RTK技術(shù)具有較高的移動性和便捷性,作業(yè)人員可以快速移動到不同的測量點(diǎn)進(jìn)行橫斷面測量,節(jié)省大量的時間和人力成本。

3 結(jié) 論

鑒于水利工程中在測量精度方面有著較高要求,本文利用GPS對高程進(jìn)行了擬合,利用RTK對小區(qū)域的高程進(jìn)行了擬合。結(jié)果顯示,GPS-RTK系統(tǒng)正確率達(dá)到99%,傳統(tǒng)RTK系統(tǒng)的正確率達(dá)到94%,優(yōu)化RTK系統(tǒng)的正確率超過傳統(tǒng)RTK系統(tǒng);傳統(tǒng)勘測方法的人員攜帶儀器重量為10.9kg,免棱鏡全站儀技術(shù)的人員攜帶儀器重量為8.5kg,而GPS-RTK技術(shù)的人員攜帶儀器重量為7.2kg,低于傳統(tǒng)勘探法和免棱鏡全站儀技術(shù)的人員攜帶儀器重量,且優(yōu)化RTK系統(tǒng)能夠很好地解決模糊問題。在實(shí)際的水深測量中,GPS-RTK技術(shù)的測量精度較高,可以敏銳捕捉到數(shù)據(jù)的波動,并觀測異常數(shù)。