GPS RTK技術(shù)在昆明新機(jī)場測量中的應(yīng)用分析

寧德存

摘要：通過對GPS RTK原理分析以及RTK技術(shù)在控制測量、數(shù)字測圖以及放樣測量等工程中的基本應(yīng)用，對動態(tài)GPS的特性和使用方法做了詳細(xì)闡述，指出了動態(tài)GPS在測量中的重要作用；并結(jié)合生產(chǎn)對測量精度及通過以常規(guī)全站儀測量的比較進(jìn)行了一定的剖析，得出一些有益的結(jié)論和體會。

關(guān)鍵詞：RTK技術(shù) 流動站 基準(zhǔn)站

Abstract: through analyzing the principle analysis and GPS RTK RTK technology in control survey, digital mapping and moulding survey, the basic engineering application, the characteristics of the dynamic GPS and method of use to do a detailed explained, the dynamic GPS in the measurement of the important role; And in combination with the production on measuring accuracy and through the conventional tachometer measurement compared to a certain analysis, draw some useful conclusions and experience.

Key words: bachelors RTK technology benchmark station

中圖分類號：X738.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

1 前言RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)又稱載波相位動態(tài)實(shí)時差分技術(shù)，其實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)效率高，可以在作業(yè)現(xiàn)場提供經(jīng)過檢驗(yàn)的測量成果，能夠在滿足精度的前提下，擺脫后處理的負(fù)擔(dān)和外業(yè)返工的困擾。

經(jīng)過近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。本文主要通過一些實(shí)例體會來探討RTK技術(shù)在工程中的應(yīng)用。

2 基本方法

RTK定位由1個基準(zhǔn)站和1個或多個流動站組成。系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)組合而成，其數(shù)據(jù)傳輸由無線數(shù)據(jù)鏈完成，數(shù)據(jù)鏈采用UHF頻段，具有可靠、穩(wěn)定和抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。但它的直達(dá)波很難穿透山、樓房的阻擋。因此,基準(zhǔn)站一般架設(shè)在已知點(diǎn)上,點(diǎn)位一般位于測區(qū)中間,視野開闊,周圍無高大的樹木、樓房等建筑物影響,遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁波發(fā)射源和大面積的水面,基準(zhǔn)站與移動站之間盡可能保持一定相對高差,以利于無線電信號傳輸,如果事先沒有確定地心坐標(biāo)與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù),也可以將基準(zhǔn)站架設(shè)在符合上述條件的未知點(diǎn)上。流動站依次設(shè)置在待測點(diǎn)上觀測，基準(zhǔn)站和流動站同時接收到信號?；鶞?zhǔn)站通過連接的電臺將測點(diǎn)坐標(biāo)、偽距觀測值、載波相位觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和接收機(jī)工作狀態(tài)發(fā)送給流動站。流動站接受該信息后與衛(wèi)星信息進(jìn)行實(shí)時差分平差處理,實(shí)時得到流動站的三維坐標(biāo)及其觀測精度信息。

求解平面轉(zhuǎn)換參數(shù),至少要聯(lián)測2個平面坐標(biāo)點(diǎn),求解高程轉(zhuǎn)換參數(shù)則需要聯(lián)測3個高程點(diǎn)。轉(zhuǎn)換參數(shù)的求得通常有2種方法：①充分利用已有的GPS控制網(wǎng)資料,將多個已知點(diǎn)的地心坐標(biāo)與相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)輸入電子手薄中,基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)上實(shí)地虛擬聯(lián)測,解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)：②基準(zhǔn)站架設(shè)在已知點(diǎn)或未知點(diǎn)上,流動站依次測量各已知點(diǎn)的地心坐標(biāo),將各已知點(diǎn)相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系的平面坐標(biāo)和高程輸入手薄中進(jìn)行點(diǎn)校正,淘汰校正殘差比較大的已知點(diǎn),從而解算出坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 RTK測量實(shí)例

3.1 RTK在控制測量中的應(yīng)用

在昆明新建機(jī)場3.5平方公里1:500地形測量中，由于測區(qū)位于正在開挖和填方區(qū)域內(nèi)，通視困難，在測區(qū)附近埋設(shè)控制點(diǎn)無法保存。因此，采用RTK的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行測量較為方便。本次測量以挖方區(qū)為主，基準(zhǔn)站設(shè)置在測區(qū)的中部地勢較高的開挖邊坡頂，符合基準(zhǔn)站的架設(shè)條件，與已知點(diǎn)的距離在2.0～3.0km之間。聯(lián)測三個一級導(dǎo)線點(diǎn)和兩個三、四等水準(zhǔn)點(diǎn)，采用兩臺雙頻GPS接收機(jī)實(shí)時動態(tài)測量模式，流動站用支撐桿豎直。布點(diǎn)時為了方便測圖使用和便于RTK測量等因素，盡量避開高壓線、高大建筑物及高密樹林等因素對RTK測量的影響。實(shí)在無法回避的地方，采用增加觀測時間、增加觀測次數(shù)的方法以提高觀測精度。由于GPS并不需要點(diǎn)間通視，不必為通視的原因而搬好幾次站，大大減少了測量時間。流動站僅需一次完成，所以減少了人力、財(cái)力。RTK控制測量時，首先用已知控制點(diǎn)建立投影的局部歸化參數(shù)，儀器將直接記錄坐標(biāo)和高程，查看解算后每個控制點(diǎn)的水平殘差和垂直殘差。本次測量解算出兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，水平殘差最大為±2.3cm，垂直殘差最大為±0.5cm。為了提高待測點(diǎn)的觀測精度，將天線設(shè)置在對點(diǎn)器上，觀測時間大于30秒，采用不同的時間段進(jìn)行兩次觀測取平均值；機(jī)內(nèi)精度指標(biāo)預(yù)設(shè)為點(diǎn)位中誤差±1.5cm，高程中誤差±2.0cm；觀測中，取平面和高程中誤差均小于±1.0cm時進(jìn)行記錄。

RTK測點(diǎn)兩次觀測值坐標(biāo)較差最大值為±2.8cm，最小值為0.3cm。考慮到兩次觀測采用了同一基準(zhǔn)站，觀測條件基本相同，可以將其視為同精度雙觀測值的情況，進(jìn)而求得觀測值中誤差和平均值中誤差。觀測值中誤差為±0.9cm，平均值中誤差為±0.6cm（±0.9/√2）。這說明RTK技術(shù)能滿足《城市測量規(guī)范》中最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差(相對于起算點(diǎn))不大于±5cm的要求。

同時，我們采用常規(guī)手段對RTK控制點(diǎn)進(jìn)行了四等水準(zhǔn)測量。平差后，每公里高差中誤差為±4.2mm，最弱點(diǎn)高程中誤差為±6.5mm。在進(jìn)行RTK平面控制測量的同時，我們也利用RTK技術(shù)進(jìn)行了高程測量。兩次RTK高程測量的成果高程較差最大為-4.7cm，最小為0cm.觀測值中誤差為±1.4cm，平均值中誤差為±1.0cm。

四等水準(zhǔn)測量與RTK高程測量成果較差高程較差最大為-4.8cm，最小為-0.1cm，高程較差中誤差為±2.3cm。

如果四等水準(zhǔn)網(wǎng)高程中誤差取±2.0cm，RTK高程測量的中誤差采用其預(yù)設(shè)精度±2.0cm，則利用誤差傳播定律可以得到高程較差理論中誤差為±2.8cm，高程較差允許誤差為±5.6cm?？梢娗蟮玫母叱梯^差中誤差小于高程較差理論中誤差。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由RTK測量的高程計(jì)算出的相鄰高差受相鄰點(diǎn)間的長度影響較小，高差精度主要與四等水準(zhǔn)測段長度有關(guān)。利用高差較差參照不同精度雙觀測值情況計(jì)算出高差較差單位(每公里)中誤差為±1.89cm。

如果RTK高程測量的中誤差采用其預(yù)設(shè)精度±2.0cm，四等水準(zhǔn)高差中誤差取±1.0cm，得高差較差理論單位中誤差為±3.0cm。顯然，計(jì)算的高差較差單位中誤差小于高差較差理論單位中誤差，證明RTK高程測量能夠滿足《城市測量規(guī)范》對四等水準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求。

3.2 RTK在數(shù)字測圖中的應(yīng)用及與全站儀的比較

3.2．1操作方法

利用RTK快速定位和實(shí)時得到坐標(biāo)結(jié)果的特點(diǎn)，可以進(jìn)行地形的碎部測量來代替常規(guī)的數(shù)字測圖。以1臺GPS基準(zhǔn)站，另一臺或幾臺移動的GPS接收機(jī)分別開始進(jìn)行碎部點(diǎn)測量。地形點(diǎn)的測量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場地形的實(shí)際情況進(jìn)行測量設(shè)定，在測量公路便道中心線或公路邊線時可以設(shè)定按距離進(jìn)行采集，距離可以人為設(shè)定；在勻速運(yùn)動測量的過程中，可以設(shè)定按時間采集，時間間隔也可人為設(shè)定。采集完將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為“點(diǎn)號，東坐標(biāo)，北坐標(biāo)，高程”形式，保存到硬盤，使用Cass軟件經(jīng)過成圖處理，生成數(shù)字化地形圖。

地形點(diǎn)的采集可以單人作業(yè)，在施工區(qū)內(nèi)較為開闊的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，發(fā)現(xiàn)RTK的采點(diǎn)速度相當(dāng)快，由于初始化速度快(小于30s)，并且在線運(yùn)動過程中不失鎖，每個碎部點(diǎn)采集時間不超過2s(含點(diǎn)位代碼輸人)，因此，采點(diǎn)速度幾乎等于走路的速度，可以充分發(fā)揮RTK快速高精度定位的優(yōu)勢。

也可以在作業(yè)中采用RTK測量模式的優(yōu)勢，準(zhǔn)確快速地建立圖根控制點(diǎn)，在圖根控制點(diǎn)上由全站儀配合電子手簿進(jìn)行碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。該法不像常規(guī)圖根導(dǎo)線測量那么煩瑣，受地形的限制，也不用支儀器設(shè)站，從而減少了因多次設(shè)站帶來的測量累計(jì)誤差，提高了全站儀碎部點(diǎn)采點(diǎn)的點(diǎn)位絕對精度，使地形測量方便快捷，大大提高了地形測量的工作效率。在地形圖、地籍圖等的測量應(yīng)用中，均取得了很好的效果。

3.2．2同全站儀測量成本比較

我們利用五臺全站儀和四臺套GPS（1+3）即1臺基站和三臺流動站作比較，在視野開闊的區(qū)域兩者所測面積經(jīng)驗(yàn)證差不多相當(dāng)，開支成本如下：

從上表可以看出，在同等條件下利用GPS測量成本比用全站儀測量成本低多了。若把架設(shè)儀器及搬站的人工費(fèi)考慮進(jìn)去，那么兩者差額將更大。如果我們再把硬件成本考慮進(jìn)去，現(xiàn)今四臺套國產(chǎn)GPS總價在20萬以內(nèi)，而五臺全站儀成本價在20萬以上，同樣是全站儀成本比GPS大。

3.3 RTK在放樣測量中的應(yīng)用及與全站儀測量精度分析

分別選取本次放樣最靠近基站和離基站最遠(yuǎn)的20個鉆孔點(diǎn)作為比較。下表的X、Y為GPS測量值， X` 、Y`為全站儀測量值。比較結(jié)果見下表：

從上表可以看出：若以全站儀所測定的坐標(biāo)值為真值，那么2種方法所測得的坐標(biāo)的差值即可認(rèn)為是RTK測量的誤差。根據(jù)《工程測量規(guī)范》點(diǎn)位誤差<5cm,可得如下結(jié)論。

1、RTK測量結(jié)果與全站儀測量結(jié)果互差均在厘米級，其中互差最大為4.26cm ,最小為0.16cm。

2、若以全站儀測定的點(diǎn)位坐標(biāo)為準(zhǔn)，RTK放樣點(diǎn)點(diǎn)位誤差均在±5 c m以內(nèi)，RTK放樣點(diǎn)點(diǎn)位相對于全站儀測定點(diǎn)位誤差按公式m=±? 計(jì)算，結(jié)果為2.8cm。

3、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：若以全站儀測量結(jié)果為準(zhǔn)，可以認(rèn)為RTK測量結(jié)果的點(diǎn)位精度達(dá)到厘米級，需要指出的是各點(diǎn)位之間不存在誤差累計(jì)，克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的弊端，完全能滿足點(diǎn)的測設(shè)精度要求。

4、但本次檢驗(yàn)的結(jié)果是在全站儀測量誤差忽略不計(jì)的情況下進(jìn)行對比分析的，如果考慮到全站儀的誤差，放樣點(diǎn)有可能出現(xiàn)誤差大于5cm的情況，對于這樣的點(diǎn)誤差，誤差的原因可能是RTK系統(tǒng)自身的誤差，也可能是測量環(huán)境對RTK的影響產(chǎn)生的誤差，或許也是我們自身操作的不正確造成的，但最有可能的原因就是放樣時存在測量環(huán)境影響中的“多路徑誤差”或“信號干擾誤差”。

5、對于上述誤差超限的點(diǎn)，我們可以根據(jù)誤差的原因，采取措施來消除或減小誤差，如：改變基準(zhǔn)站的位置，選擇地形開闊的地點(diǎn)，遠(yuǎn)離無線電發(fā)射源、雷達(dá)裝置、高壓電線等，或采用有削弱多路徑誤差的各種技術(shù)的天線等。對于誤差較大RTK又難以削弱其誤差的點(diǎn)我們可以采用其他的測設(shè)方法，如用經(jīng)緯儀和電子測距儀利用導(dǎo)線點(diǎn)對RTK放樣的點(diǎn)進(jìn)行測量，得出點(diǎn)的精確位置，再制作模板，標(biāo)出點(diǎn)的正確位置。

4 幾點(diǎn)體會

4.1 通過對以上事例的分析，可以得出RTK技術(shù)能夠滿足城市測量中對導(dǎo)線和四等水準(zhǔn)測量的要求。由于RTK技術(shù)不同于常規(guī)的控制測量，不可能完全用常規(guī)控制測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來衡量，尤其是在邊長較短的相鄰點(diǎn)表現(xiàn)比較明顯。RTK技術(shù)的測量誤差均勻、獨(dú)立，不存在誤差積累,精度可靠程度較高。

4.2 RTK技術(shù)能夠?qū)崟r地提供測量成果，不需要分級布網(wǎng)，可以大大減少生產(chǎn)成本，減輕作業(yè)員的勞動強(qiáng)度，提高測量速度和企業(yè)效益。

4.3 誤差與流動站至基準(zhǔn)站的距離成正比，因此解求轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)應(yīng)分布均勻，覆蓋整個測區(qū)，水平、垂直殘差宜在3.5cm以下?；鶞?zhǔn)站盡可能設(shè)置在符合條件的已知點(diǎn)上，這對高程測量尤為重要。

4.4 測量過程中，盡可能地檢測一定數(shù)量的測區(qū)內(nèi)和相鄰的控制點(diǎn)，以發(fā)現(xiàn)異常情況，并剔除原控制網(wǎng)的粗差點(diǎn)，便于做好與已有地形圖或工程項(xiàng)目的接邊工作。

4.5 測量時需采用一些方法來提高測量精度。如延長測量時間。架設(shè)對點(diǎn)器。選擇有利觀測時間。增加觀測次數(shù)或改變基準(zhǔn)站等。同精度兩次測量值的較差取3cm以下為宜。

4.6 如輔助相應(yīng)的軟件，RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

5.1 RTK技術(shù)操作簡便，靈活方便，工作狀態(tài)穩(wěn)定。能快速、準(zhǔn)確地測定圖根點(diǎn)、碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，實(shí)時提供精度可達(dá)厘米級經(jīng)檢核的三維坐標(biāo)。與傳統(tǒng)的測圖方法相比，人員少，費(fèi)用省，效率高。

5.2 基準(zhǔn)站的選擇對于RTK測量非常重要，它將直接影響到流動站的施測精度和測量速度，應(yīng)注意二者之間的“準(zhǔn)光學(xué)通視”。

5.3 應(yīng)根據(jù)測區(qū)的實(shí)際情況選擇合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法，參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的已知點(diǎn)應(yīng)在3個以上，且分布要均勻，做到在滿足精度要求的情況下，盡可能的減少外業(yè)的工作強(qiáng)度。

5.4在城市地形測量中，GPS一RTK技術(shù)可以替代全站儀進(jìn)行圖根導(dǎo)線測量，所測范圍內(nèi)在不通視的條件下測定無累積誤差的圖根點(diǎn)，使測圖所需圖根點(diǎn)的數(shù)量在滿足要求時，可多可少，機(jī)動靈活；而且移動點(diǎn)至基準(zhǔn)點(diǎn)的距離可以很長(最好不要超過10 km)。

5.5在施工空曠地區(qū)，建筑物不太稠密的住宅區(qū)和大馬路上，RTK能快速地完成碎部測量作業(yè)。在夜間作業(yè)，比常規(guī)測量作業(yè)方法更具優(yōu)越性。

5.6在個別植被覆蓋較厚的區(qū)域，GPS出現(xiàn)盲區(qū)，初始化時間長或失鎖，影響碎部測量速度，可采用RTK增補(bǔ)圖根導(dǎo)線點(diǎn)，配合全站儀測量碎部點(diǎn)的方法，從而快速地完成野外作業(yè)，也可以大大提高外業(yè)測圖的工作效率，進(jìn)而達(dá)到縮短工期，節(jié)約成本的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孔祥元，梅是義；控制測量學(xué)(上,下)；武漢測繪科技大學(xué)出版社；1996年。

[2]《全球定位系統(tǒng)GPS測量規(guī)范》；GB/T 18314-2001；國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布；2001年[2] 《城市測量規(guī)范》；CJJ 8-99；建設(shè)部頒布；1999年。[3] GB 7931-87，1:500,1:1000,1:2000地形圖航測攝影測量外業(yè)規(guī)范[S]。[4] 劉大杰，施一民等；全球定位系統(tǒng)（GPS）的原理與數(shù)據(jù)處理[M]；同濟(jì)大學(xué)出版社；1996年。

[5] 徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)； GPS測量原理及應(yīng)用；武漢測繪科技大學(xué)出版社；1997年。[6]武漢測繪科技大學(xué)測量平差教研室編著；測量平差基礎(chǔ)；測繪出版社；1996年。

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