GPS-RTK技術(shù)在水文斷面上小區(qū)域測量精度的研究

張景鵬

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

GPS-RTK技術(shù)在水文斷面上小區(qū)域測量精度的研究

張景鵬

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

本文針對小區(qū)域內(nèi)GPS—RTK測量定位的精度和可靠性問題展開分析與研究，通過對靜態(tài)的測量成果與同名RTK點(diǎn)的測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，研究了RTK在小區(qū)域內(nèi)觀測成果的可靠性、穩(wěn)定性及精度，分析了RTK在小區(qū)域測量中實(shí)現(xiàn)高精度測量的技術(shù)可行性，總結(jié)出了RTK在小區(qū)域測量中的一些經(jīng)驗(yàn)。

GPS-RTK；可靠性；穩(wěn)定性；精度分析；小區(qū)域

0引言

水文站斷面測量與地形測量是水文流量測驗(yàn)工作的重要組成部分，可以說斷面測量和地形測量的精度直接關(guān)系到流量測驗(yàn)精度，所以提高測量精度成為當(dāng)前為水文斷面測量提供有效數(shù)據(jù)的有力措施，而當(dāng)前各水文站普遍采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行斷面測量，不僅局限于河床地勢影響，也局限于人力因素受制。

RTK即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法定位技術(shù)，是一種新的GPS測量方法。以前的GPS測量方式（如：靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量）都需要在事后對其所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算才能得到厘米級(jí)的高精度，而RTK卻是能夠在野外實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)的定位精度，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

若GPS-RTK小區(qū)域測量精度能滿足要求，將其引入水文斷面測量中就能實(shí)現(xiàn)斷面測量的高精度、高效率。

1 主要目標(biāo)

RTK測量結(jié)果的精度高低直接影響著其應(yīng)用范圍的大小，所以對GPS-RTK測量達(dá)到更高精度的影響因素進(jìn)行分析研究，對推廣其在水文斷面測量的實(shí)踐應(yīng)用也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。文中研究的目標(biāo)是：

1）通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，提出在小區(qū)域內(nèi)控制GPS-RTK測量誤差的途徑；

2）得出斷面測量小區(qū)域內(nèi)RTK高精度測量定位的方法和操作流程；

3）通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證RTK在小區(qū)域內(nèi)測量成果的穩(wěn)定性及可靠性。

2 研究內(nèi)容

本文將主要研究在小區(qū)域內(nèi)已知高精度的控制網(wǎng)下，利用RTK對控制點(diǎn)進(jìn)行測量，通過對RTK測量過程中的各個(gè)流程進(jìn)行系統(tǒng)地分析和整理，然后對其測量成果進(jìn)行精度的檢測與分析，最終得出GPS-RTK在小區(qū)域內(nèi)高精度定位的可行性論證。影響RTK測量精度的因素主要體現(xiàn)在：GPS-RTK系統(tǒng)自身對測量精度的影響、衛(wèi)星信號(hào)的影響、流動(dòng)站距和基準(zhǔn)站之間的基線長度的影響。

綜上所述，在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，本文就GPS-RTK技術(shù)在小區(qū)域測量中的精度進(jìn)行了深入的探討和研究。主要研究內(nèi)容包括：

1）通過實(shí)例對小區(qū)域環(huán)境里，不同時(shí)間、不同時(shí)間段、不同位置、不同天氣等各種觀測條件下GPS-RTK測量的可靠性、穩(wěn)定性進(jìn)行探討和分析。

2）實(shí)際測量時(shí)，在小區(qū)域短基線GPS-RTK測量條件下，采取將全部點(diǎn)參與計(jì)算的方式將實(shí)驗(yàn)所要用的4個(gè)參數(shù)求解出來，剔除殘差較大的點(diǎn)，最終獲得適合本區(qū)域的最優(yōu)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3）用RTK測量的點(diǎn)的三維坐標(biāo)與已知數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、檢測分析，從而來分析RTK小區(qū)域測量成果的質(zhì)量。

2.1 統(tǒng)組成

GPS-RTK由3個(gè)獨(dú)立的部分組成：

1）基準(zhǔn)站。主要包括基準(zhǔn)站的GPS接收機(jī)及衛(wèi)星的接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及信號(hào)發(fā)射天線、直流電源等。基準(zhǔn)站一般都架設(shè)在地勢較高且無太多遮擋物的地方。其作用是對范圍內(nèi)的所有可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測，并將觀測到的各種數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)地傳送給流動(dòng)站。

2）流動(dòng)站。包括1臺(tái)GPS接收機(jī)、1個(gè)GPS天線、無線電臺(tái)及通訊天線、電源、手簿（PDA）、對中桿等組成。其作用是同時(shí)接收來自基準(zhǔn)站和相同衛(wèi)星的各種信息，包括基準(zhǔn)站所傳來的各種觀測量、所有可視衛(wèi)星的狀態(tài)和基準(zhǔn)站的WGS-84坐標(biāo)。

3）用戶設(shè)備部分。接收來自GPS衛(wèi)星所發(fā)射來的信號(hào)，來獲得導(dǎo)航和定位所需的必要信息，數(shù)據(jù)經(jīng)過自動(dòng)處理，從而來完成導(dǎo)航及定位工作。GPS接收機(jī)硬件包括主機(jī)、天線和電源。

2.2 測量原理

RTK又稱載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)，是基于載波相位觀測原理的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)。它的兩個(gè)主要組成部分：基準(zhǔn)站的作用是連續(xù)地把觀測到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)射出去；流動(dòng)站的作用是實(shí)時(shí)地對基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的載波相位觀測值進(jìn)行差分處理，并且獲取流動(dòng)站當(dāng)前所在點(diǎn)的坐標(biāo)、精度指標(biāo)及高程，從而實(shí)時(shí)地提供測站點(diǎn)在指定的坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并使精度達(dá)到厘米級(jí)。

其工作原理：首先，將1臺(tái)GPS接收機(jī)安置于選擇好的基準(zhǔn)站上，另1臺(tái)或幾臺(tái)GPS接收機(jī)安放于載體（流動(dòng)站）上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)開始接收相同時(shí)間、相同的GPS衛(wèi)星所發(fā)射出的信號(hào)。然后，基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將其測量計(jì)算出的載波相位觀測值、偽距觀測值以及基準(zhǔn)站的坐標(biāo)等信息通過電臺(tái)，以無線電的方式傳送給運(yùn)動(dòng)中的流動(dòng)站，而流動(dòng)站通過無線電臺(tái)接收來自基準(zhǔn)站的各種信息，實(shí)時(shí)地對其所接收到的載波相位觀測值進(jìn)行差分處理，從而得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的基線向量（△X，△Y，△Z）；所得到的基線向量加上基準(zhǔn)站的坐標(biāo)便可以得到流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)X，Y和正常高h(yuǎn)。

RTK作業(yè)模式主要包括：

1）快速靜態(tài)測量。這種模式下，GPS接收機(jī)必須靜止在用戶站上進(jìn)行觀測。在觀測過程里，連同接收到的基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地進(jìn)行整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)的解算。在此期間，用戶站上的GPS接收機(jī)在流動(dòng)時(shí)，可以不必保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。

2）動(dòng)態(tài)測量。與前面的模式相同，首先要靜止地觀測幾分鐘，然后進(jìn)行初始化，成功后，運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)便開始以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并確定其所在的位置。但是在其流動(dòng)的期間，必須保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。而且，GPS常規(guī)的測量方法都需要在事后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的高精度，而GPS-RTK卻能夠在野外實(shí)時(shí)地獲得符合要求的定位精度的測量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分的方法，其現(xiàn)在已被廣泛地應(yīng)用在控制測量、地形測圖、工程放樣、海洋測繪（主要有海上定位、海洋大地測量和水下地形測量等），RTK極大地提高了這些工作的外業(yè)作業(yè)效率。

3）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測量。在其流動(dòng)期間，必須要保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，否則就要重新進(jìn)行初始化。

GPS-RTK測量首先是將1臺(tái)接收機(jī)安置在已知點(diǎn)上對范圍內(nèi)的可視GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測。然后，將采集到的載波相位觀測量通過基準(zhǔn)站的電臺(tái)，以特定的載波形式發(fā)射出去，而流動(dòng)站則是在對GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測并采集自身的載波相位觀測量的同時(shí)，也通過流動(dòng)站的接收電臺(tái)接收來自基準(zhǔn)站電臺(tái)所發(fā)射出的信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測量；流動(dòng)站的GPS接收機(jī)再利用OTF（運(yùn)動(dòng)中求解整周模糊度）技術(shù)，根據(jù)基準(zhǔn)站的載波相位觀測量和其自身的載波相位觀測量來求解出整周模糊度，最后求出流動(dòng)站的位置，并獲得厘米級(jí)的高精度，具體過程見圖1。

圖1 GPS RTK數(shù)據(jù)流程示意圖

3 RTK定位精度及可靠性分析

3.1 數(shù)據(jù)的獲取

本文實(shí)驗(yàn)所測得點(diǎn)為阜新市韓家杖子水文站控制點(diǎn)，其已知坐標(biāo)見表1。

表1 水文站控制點(diǎn)已知坐標(biāo)

3.2 精度分析

3.2.1 同一時(shí)段內(nèi)對同一點(diǎn)多次測量的實(shí)驗(yàn)及成果精度分析

1）實(shí)驗(yàn)概況

此次實(shí)驗(yàn)是將基準(zhǔn)站建立在周圍比較開闊的地方，然后用RTK測量這些已知點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)是阜新市韓家杖子水文站，視野比較開闊，而且已知控制點(diǎn)滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2）實(shí)驗(yàn)步驟：

①選一片開闊的區(qū)域，將基準(zhǔn)站架好。啟動(dòng)手簿將其與基準(zhǔn)站藍(lán)牙連接，按需將其與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)置調(diào)好，然后斷開手簿與基準(zhǔn)站的連接。

②將流動(dòng)站開機(jī)，在其初始化完成后，將手簿與基準(zhǔn)站通過藍(lán)牙連接。完事后，依次點(diǎn)擊“工程—新建工程”，在出現(xiàn)的界面中輸入工程名稱，點(diǎn)擊確定。然后進(jìn)行以下步驟：點(diǎn)擊“配置—坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置”，在出現(xiàn)界面的投影一欄下，將其中央子午線改成阜新所在的123，再點(diǎn)擊確定；依次點(diǎn)擊“配置—主機(jī)設(shè)置—儀器設(shè)置”，出現(xiàn)的界面中選中流動(dòng)站，將其配置參數(shù)按要求設(shè)置。

③求取轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于水文站斷面內(nèi)地勢平坦，且測區(qū)面積較小，因此測區(qū)的坐標(biāo)平面轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程擬合參數(shù)直接用接收機(jī)手簿里自帶的計(jì)算軟件分別按四參數(shù)法和平面擬合法求得。點(diǎn)擊“輸入—求取轉(zhuǎn)換參數(shù)”，在出現(xiàn)的頁面中點(diǎn)擊增加，將要求取轉(zhuǎn)換參數(shù)所需的點(diǎn)（201，201-4，201-5）的坐標(biāo)增加進(jìn)去，并在每個(gè)點(diǎn)上實(shí)際獲取一遍各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，即完成了轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。之后就可以開始對各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行RTK測量。

④分別在兩天的相同時(shí)段對點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集。在采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)手簿上顯示所測點(diǎn)的精度已經(jīng)達(dá)到固定解的時(shí)候，即可保存改點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后再次對此點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)測量，當(dāng)精度達(dá)到時(shí)就保存數(shù)據(jù)，并依此進(jìn)行其他各個(gè)點(diǎn)的測量，直到所有點(diǎn)觀測完成。其他幾個(gè)時(shí)段亦是如此。

3）精度評(píng)定及結(jié)論

對RTK在同一時(shí)段對點(diǎn)進(jìn)行的重復(fù)測量成果與已知點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2，其中△X，△Y，△H分別表示已知值和RTK重復(fù)測量得到的點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的差值以及高程的差值。

由表2數(shù)據(jù)可看出測點(diǎn)1—5X坐標(biāo)的差值（絕對值）最大值分別為0.018，0.017，0.018，0.016，0.019 m，Y坐標(biāo)的差值（絕對值）最大值分別為0.017，0.038，0.011，0.006，0.018 m，點(diǎn)位誤差（絕對值）最大值分別為0.025，0.038，0.019，0.016，0.019 m，H坐標(biāo)的差值（絕對值）最大值分別為0.048，0.045，0.047，0.048，0.044 m。

計(jì)算可得RTK測量1—5點(diǎn)的點(diǎn)位精度Ms=±0.016，±0.030，±0.015，±0.010，±0.014 m；

通過以上RTK重復(fù)測量結(jié)果與已知數(shù)據(jù)的比較，可得到RTK觀測的穩(wěn)定性很好，測量的成果很可靠。在保證有較好的觀測條件下，RTK在小區(qū)域內(nèi)的測量成果坐標(biāo)精度都在5 cm以下，重復(fù)測量效果很好，RTK小區(qū)域內(nèi)測量成果的精度較高。

表2 不同測點(diǎn)重復(fù)測量與已知數(shù)據(jù)對比m

續(xù)表2不同測點(diǎn)重復(fù)測量與已知數(shù)據(jù)對比m

3.2.2 不同時(shí)間段對相同點(diǎn)進(jìn)行多次測量的實(shí)驗(yàn)及成果精度分析

1）實(shí)驗(yàn)概況

此次實(shí)驗(yàn)是將基準(zhǔn)站建立在周圍比較開闊的地方，然后用RTK測量這些已知點(diǎn)的坐標(biāo)。

2）實(shí)驗(yàn)方法

首先，每次實(shí)驗(yàn)都將基準(zhǔn)站、流動(dòng)站的配置參數(shù)設(shè)置成實(shí)驗(yàn)所需，然后分別在7月24日、7月28日的上午、下午兩個(gè)不同的時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并將其保存下來。

3）精度評(píng)定及結(jié)論

同一天的不同時(shí)段所測數(shù)據(jù)及不同天的不同時(shí)段數(shù)據(jù)的精度分析見表3。

通過對表3中數(shù)據(jù)的精度分析可以看出，在上午和下午兩個(gè)時(shí)段，時(shí)段對小區(qū)域RTK測量的影響并不是那么的顯著，但也是不能將其完全忽略。從上述分析中可以看出在RTK定位時(shí)，時(shí)段對其是有影響的但并不能影響RTK的高精度測量成果。文中上午和下午兩個(gè)時(shí)段的實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、可靠性還是較高的。所以，認(rèn)為RTK在正常情況下，不同時(shí)段內(nèi)的測量結(jié)果是穩(wěn)定、可靠的，其可持續(xù)提供高精度的測量成果。

4 結(jié)語

本文主要研究了GPS-RTK的定位原理、在小區(qū)域內(nèi)測量的成果精度等，并通過實(shí)驗(yàn)的方法檢驗(yàn)了GPS-RTK在小區(qū)域內(nèi)的定位精度，其主要結(jié)論可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1）通過對RTK測量的結(jié)果和阜新市韓家杖子水文站的復(fù)測控制點(diǎn)進(jìn)行比較，可以得出RTK小區(qū)域內(nèi)測量成果可靠，觀測的穩(wěn)定性很好。在正常情況保證有較好的觀測條件下，RTK在小區(qū)域內(nèi)的測量在平面坐標(biāo)上的較差都在5 cm以下，部分平面坐標(biāo)的較差還在毫米級(jí)。因此，RTK在斷面測量中的精度較高。

2）在小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行RTK測量時(shí)，大量的樹木、高壓線、高大的建筑物、大面積水域都會(huì)對RTK的測量成果有一定的影響，所以在進(jìn)行RTK觀測時(shí)要盡量避免大量的樹木、高大的建筑物、大面積水域、高壓線這些對測量成果造成影響的因素，以提高RTK在小區(qū)域內(nèi)測量的精度。

3）在進(jìn)行測量時(shí)，要待觀測衛(wèi)星的圖形強(qiáng)度較高時(shí)采集數(shù)據(jù)；其次，作業(yè)員的責(zé)任心要強(qiáng)，并且觀測的成果要注意檢核。這些也是保證GPS-RTK小區(qū)域測量精度的因素，要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。

表3 相同日期不同時(shí)段觀測結(jié)果分析m

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2016-11-18