GPS RTK觀測(cè)精度及可靠性研究

范曉楓

摘要：GPS RTK技術(shù)隨著科技的發(fā)展已經(jīng)滲入各個(gè)領(lǐng)域，文章通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)深入分析研究GPS RTK的觀測(cè)精度和數(shù)據(jù)的可靠性。使我們對(duì)GPS RTK系統(tǒng)有了比較深入的認(rèn)識(shí)，在今后的測(cè)量工作中，可以按照設(shè)計(jì)精度要求選擇合適的觀測(cè)方案，既節(jié)省時(shí)間，減少人力、物力消耗，又能滿足精度要求。

關(guān)鍵詞：GPS RTK；內(nèi)符合精度；外符合精度；可靠性

中圖分類號(hào)： P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

20 世紀(jì)下半葉是測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)期，特別是近10 余年來(lái)，它尤其獲得了許多突出的成就。促進(jìn)這一時(shí)期飛躍前進(jìn)的主要因素之一就是測(cè)量?jī)x器的驚人發(fā)展，其中比較有代表性的是GPS RTK的出現(xiàn)和使用。目前RTK實(shí)時(shí)三維精度可以達(dá)到厘米級(jí), 但受觀測(cè)條件和其它因素的影響，RTK測(cè)量成果偶爾會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，若不采取必要措施剔除這些錯(cuò)誤成果，會(huì)對(duì)測(cè)繪工作造成嚴(yán)重后果。本課題主要分析影響GPS RTK內(nèi)、外符合精度與可靠性的因素，提出切實(shí)可行的方法和措施，保證測(cè)繪成果的質(zhì)量，為測(cè)繪生產(chǎn)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

二、影響GPS RTK精度和可靠性的因素

1、GPS 系統(tǒng)

GPS 系統(tǒng)本身的影響因素用戶無(wú)法控制,這些因素包括GPS 衛(wèi)星星數(shù)、衛(wèi)星圖形和大氣狀況。在OTF 解算未知的模糊值時(shí),至少需要有5 顆共同星,星數(shù)越多解算模糊值時(shí)的速度越快,越可靠。研究表明,星數(shù)增加太多對(duì)提高RTK點(diǎn)位的精度不顯著,但觀測(cè)更多的衛(wèi)星將提高觀測(cè)成果的可靠性。衛(wèi)星圖形影響觀測(cè)成果質(zhì)量,當(dāng)衛(wèi)星均勻分布在整個(gè)天空時(shí)成果質(zhì)量最可用衛(wèi)星數(shù)越多,衛(wèi)星圖形越好。

2、RTK系統(tǒng)

RTK系統(tǒng)的影響因子主要包括數(shù)據(jù)鏈、天線類型和處理軟件,所以RTK設(shè)備的優(yōu)劣,不僅影響測(cè)量精度,而且也影響成果的可靠性。

3、環(huán)境

環(huán)境對(duì)RTK影響的因素主要有地形、基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的障礙物、平面覆蓋、多路徑誤差、電波干擾等。

4、觀測(cè)方案

觀測(cè)方案對(duì)RTK結(jié)果的質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生重大影響,觀測(cè)方案的主要內(nèi)容有: 基準(zhǔn)站位置的選擇、坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、歷元數(shù)、觀測(cè)次數(shù)等 。

5、觀測(cè)者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)

觀測(cè)者的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)對(duì)成果的精度和可靠性影響很大,例如:對(duì)中誤差、測(cè)量天線高等都將影響測(cè)出的全部坐標(biāo)。

隨著科技的發(fā)展, GPS的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。雖然RTK測(cè)量有著無(wú)與倫比的快捷和方便,精度上也能滿足控制測(cè)量的要求,但與靜態(tài)相比,精度上還有一定差距,且存在缺少檢核、可靠性不高的缺點(diǎn)。

其主要影響因素如下：

(1) 轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。

(2)測(cè)量作業(yè)的控制區(qū)域。

(3)衛(wèi)星信號(hào)的影響。

(4) RTK基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)挠绊憽?/p>

(5)流動(dòng)站方式影響。

(6)電源的影響。

三、 觀測(cè)方案及精度分析

選擇某校園區(qū)域內(nèi)布設(shè)GPS靜態(tài)網(wǎng),采用三角網(wǎng)經(jīng)典靜態(tài)定位模式進(jìn)行坐標(biāo)采集。校園內(nèi)多為7層建筑物而且建筑比較密集,采集數(shù)據(jù)時(shí)受外界影響較大,所以點(diǎn)位得選擇也對(duì)測(cè)量精度有很大得影響。

1、GPS RTK外符合精度研究

基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)中央時(shí)，到達(dá)測(cè)區(qū)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的基線長(zhǎng)較均勻，則其誤差分布也較均勻。

將基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)邊緣時(shí)，則離基準(zhǔn)站遠(yuǎn)的地方精度就不如離基準(zhǔn)站近的，因?yàn)镽TK是靠無(wú)線電傳輸數(shù)據(jù)的,受基線長(zhǎng)度影響，而且距離越遠(yuǎn)其中間的干擾因素就有可能多。

通過(guò)采集數(shù)據(jù)比較，當(dāng)基準(zhǔn)站選在測(cè)區(qū)中央時(shí)精度較高。當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)選在測(cè)區(qū)中央時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)點(diǎn)的基線長(zhǎng)都在作業(yè)半徑內(nèi)，采集數(shù)據(jù)快而且誤差分布均勻，點(diǎn)的觀測(cè)精度相對(duì)就高。

流動(dòng)站采取不同的對(duì)中整平方法，對(duì)采集到的坐標(biāo)精度有影響。

表1 三角架對(duì)中

點(diǎn)名 X坐標(biāo)(m) Y坐標(biāo)(m) H(m)高程

G006 207660.697 300574.11 101.211

G007 207716.346 300690.93 100.879

L311 207987.701 300375.102 100.803

G015 207933.762 300259.988 100.179

G014 208054.35 300519.298 100.14

表2 對(duì)中桿對(duì)中

點(diǎn)名 X坐標(biāo)(m) Y坐標(biāo)(m) H(m)高程

G006 207660.625 300574.02 101.164

G007 207716.322 300690.879 100.824

L311 207987.755 300375.108 100.769

G015 207933.731 300259.864 100.125

G014 208054.689 300519.754 100.143

表3 坐標(biāo)真值

點(diǎn) 名 X坐標(biāo) Y坐標(biāo) H(m)高程

G006 207660.684 300574.106 101.2138

G007 207716.335 300690.913 100.8837

L311 207987.717 300375.024 100.8219

G015 207933.779 300260.02 100.1875

G014 208054.334 300519.312 100.1213

通過(guò)數(shù)據(jù)比較，三腳架對(duì)中的平面坐標(biāo)精度較高，使用對(duì)中桿時(shí)所需時(shí)間短，適合精度要求不是很高的測(cè)量。

2、GPS RTK內(nèi)符合精度研究

當(dāng)對(duì)某個(gè)量進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些測(cè)量值之間往往存在一些差異。

觀測(cè)誤差產(chǎn)生的原因很多，概括起來(lái)有以下三個(gè)方面：

1、測(cè)量?jī)x器

所謂的測(cè)量?jī)x器，這里是指采集數(shù)據(jù)采用的任何工具和手段。由于每一種儀器只具有一定限度的準(zhǔn)確度，由此觀測(cè)所的數(shù)據(jù)必然帶有誤差。同時(shí)，儀器本身也有一定的誤差，如GPS接受機(jī)所采集的數(shù)據(jù)存在著儀器的誤差。

2、觀測(cè)者

由于觀測(cè)者的感覺(jué)器官的鑒別能力有一定的局限，所以在儀器的操作過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生誤差。同時(shí)，觀測(cè)者的技術(shù)水平和工作態(tài)度也是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響的重要因素。

3、外界條件

測(cè)量時(shí)所處的外界條件，如溫度、濕度、風(fēng)力、大氣折光等因素和變化都會(huì)對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)直接產(chǎn)生影響

上述測(cè)量?jī)x器、測(cè)量者、外界條件三方面的因素是引起誤差的主要來(lái)源，不難想象，觀測(cè)條件的好壞與觀測(cè)成果的質(zhì)量有著密切的聯(lián)系。

三街道RTK兩次測(cè)量比較

點(diǎn)號(hào) 第一次測(cè)量成果

X坐標(biāo)（m) Y坐標(biāo)（m) 高程H（m)

M1801 4144672.679 494051.006 28.069

M923 4144625.427 494155.928 34.752

M1802 4144725.275 494148.662 28.265

M922 4144745.482 494074.713 24.001

M921 4144903.541 494139.349 16.918

點(diǎn)號(hào) 第二次測(cè)量成果

X坐標(biāo)（m) Y坐標(biāo)（m) 高程H（m)

M1801 4144672.692 494051.004 28.056

M923 4144625.431 494155.932 34.775

M1802 4144725.267 494148.657 28.277

M922 4144745.458 494074.713 24.013

M921 4144903.532 494139.325 16.927

點(diǎn)號(hào) 兩次成果差

X(cm) Y(cm) H(cm)

M1801 -1.3 0.2 1.3

M923 -0.4 -0.4 -2.3

M1802 0.8 0.5 -1.2

M922 2.4 0.0 -1.2

M921 0.9 2.4 -0.9

可見(jiàn)在GPS RTK施測(cè)過(guò)程中，應(yīng)兩次觀測(cè)取平均值，即雙基準(zhǔn)站的方法進(jìn)行測(cè)量既可提高精度又可確保成果的可靠性。

四、提高精度和可靠性的措施

1、轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理求解。（1）一般轉(zhuǎn)換參數(shù)求解時(shí),盡量用高等級(jí)的控制點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換控制點(diǎn),且轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)盡量分布均勻、包含整個(gè)測(cè)區(qū)。（2）對(duì)于待測(cè)區(qū)域較小(25 km2 以內(nèi)) 、轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)較少且沒(méi)有WGS284 坐標(biāo)的作業(yè)區(qū),可以用導(dǎo)航或者單點(diǎn)定位的方式測(cè)出基準(zhǔn)站的WGS284坐標(biāo),然后用RTK的方式測(cè)出轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)的WGS284坐標(biāo),在輸入相應(yīng)的地方坐標(biāo)后,直接用一步法求出轉(zhuǎn)換參數(shù);對(duì)于待測(cè)區(qū)域較大( 25 ～50km2 ) 、轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)較多且沒(méi)有WGS284坐標(biāo)的作業(yè)。（3）轉(zhuǎn)換參數(shù)求解后,必須對(duì)它檢核。

2、基準(zhǔn)站的選擇。由于需要接收足夠的衛(wèi)星信號(hào)和發(fā)射RTK無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈,基準(zhǔn)站上空應(yīng)無(wú)大面積遮蔽和影響數(shù)據(jù)鏈通訊的無(wú)線電干擾,并避免多路徑效應(yīng),因此RTK基準(zhǔn)站點(diǎn)位應(yīng)選擇在視野開(kāi)闊的建筑物頂部或地勢(shì)較高處,須避開(kāi)電視、電臺(tái)發(fā)射塔、微波站、飛機(jī)場(chǎng)、高壓線和大面積水域等。

3、流動(dòng)站方式的選擇。除了地形地貌測(cè)量和放樣外,對(duì)控制點(diǎn)和其他可選擇位置的待測(cè)點(diǎn),流動(dòng)站應(yīng)與基準(zhǔn)站一樣,選擇合適的位置,避免衛(wèi)星信號(hào)和數(shù)據(jù)鏈通訊的影響及多路徑效應(yīng)的產(chǎn)生。

4、作業(yè)時(shí)段選擇。為使RTK作業(yè)時(shí)能接收到足夠多衛(wèi)星信號(hào),在每次作業(yè)前,先查看衛(wèi)星數(shù)量和位置情況,選擇最佳的時(shí)段進(jìn)RTK作業(yè)。同時(shí),為減小電離層、對(duì)流層影響,應(yīng)避開(kāi)14: 00: 00左右時(shí)段。

5、 電源供應(yīng)。每次RTK測(cè)量前,需電源充足,保證RTK作業(yè)順利進(jìn)行。如果是固定的基準(zhǔn)站電臺(tái),還可以用交直流轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器代替汽車電瓶。

6、多基準(zhǔn)測(cè)量。為保證RTK測(cè)量精度的可靠,在同一地區(qū),可以建立多個(gè)固定的基準(zhǔn)站點(diǎn),并統(tǒng)一求解轉(zhuǎn)換參數(shù)和基準(zhǔn)站點(diǎn)的WGS284坐標(biāo)。

7、不同時(shí)段測(cè)量。對(duì)于缺少其他檢驗(yàn)條件的待測(cè)點(diǎn),還可以用同一基準(zhǔn)站在不同時(shí)段(如隔幾天)測(cè)量,若結(jié)果不同,則必有一個(gè)是錯(cuò)誤的,需再次測(cè)量;若結(jié)果在限差范圍內(nèi),則說(shuō)明測(cè)量值正確,可取中數(shù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在校園內(nèi)外采用不同的觀測(cè)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和已知坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論，探討采用不同方法進(jìn)行GPS RTK觀測(cè)精度及可靠性。