王翔 魏長(zhǎng)壽
摘 要:本文通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)RTK技術(shù)在實(shí)施過程中分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于定位精度的影響,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式,提高RTK定位精度,擬得到RTK技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到小范圍工程測(cè)量的精度要求,對(duì)在小范圍工程測(cè)量中RTK技術(shù)的推廣,提高作業(yè)效率,有著重要的意義。
關(guān)鍵詞:RTK;工程測(cè)量;轉(zhuǎn)換參數(shù);定位精度
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.124
1 引言
RTK(Real Time Kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),是一項(xiàng)以載波相位觀測(cè)為基礎(chǔ)的差分GPS測(cè)量技術(shù)。GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,而且得到精度較高定位的定位成果,可以進(jìn)行高質(zhì)量?jī)?nèi)外業(yè)一體化數(shù)據(jù)處理,設(shè)備間無需通視,用途廣泛等特點(diǎn)[1]。
在小區(qū)域內(nèi)RTK測(cè)量首先要進(jìn)行轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解,轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量好壞將會(huì)嚴(yán)重影響RTK的測(cè)量精度[2]。本文通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)RTK技術(shù)在實(shí)施過程中分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于定位精度的影響,通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)的方式,提高RTK定位精度,擬得到RTK技術(shù)的定位精度能夠達(dá)到小范圍工程測(cè)量的精度要求,對(duì)在小范圍工程測(cè)量中RTK技術(shù)的推廣,提高作業(yè)效率,有著重要的意義。
2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)計(jì)
首先在試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行E級(jí)GPS靜態(tài)定位控制網(wǎng)的布設(shè),基線長(zhǎng)度都在1km以內(nèi),得到各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的已知坐標(biāo),布設(shè)控制網(wǎng)型如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)有道路、建筑、樹木等地物,環(huán)境模擬小區(qū)域城市工程測(cè)量的實(shí)施環(huán)境,可根據(jù)各個(gè)已知點(diǎn)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)求解不同的轉(zhuǎn)換參數(shù),為進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)中分析RTK技術(shù)在實(shí)施過程中轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)于定位精度的影響提供對(duì)比數(shù)據(jù)。
3 根據(jù)已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的實(shí)驗(yàn)
GPS-RTK技術(shù)在實(shí)施的過程中,其實(shí)質(zhì)就是先求解WGS-84坐標(biāo)系到地方獨(dú)立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù),再使用該轉(zhuǎn)換參數(shù)將獲得的測(cè)點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)換算成地方獨(dú)立坐標(biāo)。因此使用合理的轉(zhuǎn)換模型,獲取精確的轉(zhuǎn)換參數(shù)才是有效提高RKT定位精度的有效手段。
3.1 參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的選擇
參數(shù)轉(zhuǎn)換模型有兩種,一種是七參數(shù)模型,利用至少3個(gè)已知點(diǎn)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù),會(huì)得到一個(gè)尺度變化參數(shù)(m)、三個(gè)平移變化參數(shù)(?X0、?Y0、?Z0)、以及三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(εX、εY、εZ )。另一種是四參數(shù)模型,利用至少2個(gè)已知點(diǎn)來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù),會(huì)得到一個(gè)尺度變化參數(shù)(m)、以及三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)(εX、εY、εZ )。
本文利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn),分別7參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和4參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的方式計(jì)算RTK轉(zhuǎn)換參數(shù),并分別使用兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的RTK方法對(duì)KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取,并與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用7參數(shù)模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行RTK測(cè)量其平面定位精度誤差達(dá)到米級(jí),而使用4參數(shù)模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行RTK測(cè)量其平面定位精度誤差很小,都在2cm范圍內(nèi);在高程精度方面,兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)所得到的定位精度誤差都在2cm范圍以外,由實(shí)驗(yàn)可知在小區(qū)域工程測(cè)量實(shí)施過程中,由于求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)所覆蓋的面積非常小,而七參數(shù)模型在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的過程中,更多的考慮了地球曲率的影響,反而使結(jié)果誤差很大,所以不考慮地球曲率應(yīng)選用四參數(shù)模型求解轉(zhuǎn)換參數(shù),得到更好的定位精度結(jié)果。
3.2 選用相同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)相同點(diǎn)在不同時(shí)段進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)對(duì)比的實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)利用圖1中KH21、KH22、 KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn),使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算RTK轉(zhuǎn)換參數(shù),并使用RTK的方法對(duì)KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)分上午、中午、下午三個(gè)不同時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取,并與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得到,在采用相同已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)并在上午、中午、下午三個(gè)不同時(shí)段對(duì)相同的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),其觀測(cè)結(jié)果與已知點(diǎn)相比較誤差也有不同。X、Y兩個(gè)平面方向坐標(biāo)上午、下午兩個(gè)時(shí)段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),各點(diǎn)RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都很小,幾乎都在10mm以內(nèi);而各點(diǎn)中午時(shí)段的X、Y兩個(gè)平面方向RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都較大,基本都在10mm以上,通過實(shí)驗(yàn)得到,在使用相同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的情況下,上午和下午的觀測(cè)精度要明顯好于中午時(shí)段的觀測(cè)精度,在中午時(shí)段電離層受到太陽黑子的運(yùn)動(dòng)的影響是一天中最劇烈的,GPS信號(hào)在此時(shí)段穿過電離層會(huì)受到相對(duì)較大的影響,實(shí)驗(yàn)表明在上午和下午進(jìn)行RTK觀測(cè)能夠有效提高平面觀測(cè)精度,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明觀測(cè)誤差在2cm范圍內(nèi),能夠達(dá)到工程測(cè)量的要求。
在高程觀測(cè)精度上,通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到,三個(gè)時(shí)段的觀測(cè)誤差都較大,通過實(shí)驗(yàn)證明RTK在高程測(cè)量方面的精度是難以保證的。
3.3 選用不同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK數(shù)據(jù)對(duì)比的實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn),和利用圖1中KH1、KH2、7三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn),兩組已知點(diǎn)都使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算得到兩組RTK轉(zhuǎn)換參數(shù),分別使用這兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段且使用同一個(gè)基準(zhǔn)站對(duì)KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取,分別與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
通過上表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,在選用不同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí),其觀測(cè)結(jié)果與已知點(diǎn)相比較誤差也有不同。從表2中X、Y兩個(gè)平面方向坐標(biāo)使用不同轉(zhuǎn)換參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在使用KH21、KH22、KH23三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都很小,幾乎都在10mm以內(nèi);而使用KH1、KH2、7三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都較大,基本都在10mm以上;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,使用KH21、KH22、KH23三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)得到的RTK測(cè)量值精度更高,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明觀測(cè)誤差在2cm范圍內(nèi),能夠達(dá)到工程測(cè)量的要求。通過圖1 可以看出,KH21、KH22、KH23三點(diǎn)與KH31-KH38共8個(gè)點(diǎn)的距離更為接近,形成的控制網(wǎng)型更為穩(wěn)固;也與4參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的求解過程有關(guān),KH21、KH22、KH23三點(diǎn)所圍成的面積比KH1、KH2、7三點(diǎn)圍成的面積更小,更接近于一個(gè)平面,更適合于4參數(shù)模型解算出更精確的轉(zhuǎn)換參數(shù);轉(zhuǎn)換參數(shù)的質(zhì)量也與已知點(diǎn)的精度有很大關(guān)系,KH1點(diǎn)附近有16層的高樓,在數(shù)據(jù)靜態(tài)解算時(shí)發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)的信號(hào)接收狀態(tài)不甚理想。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知,通過選擇形成更穩(wěn)固的網(wǎng)型的控制點(diǎn)作為求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn),以及選擇更為可靠的已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù),能夠?qū)D(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而有效提高RTK平面測(cè)量成果的精度。
在高程觀測(cè)精度上,通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的觀測(cè)誤差都較大,通過實(shí)驗(yàn)證明RTK在高程測(cè)量方面的精度是難以保證的。
3.4 實(shí)驗(yàn)分析轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系
從上個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,選擇不同的已知點(diǎn)求解出不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)得到的RTK測(cè)量結(jié)果的精度也是不同的,下面來分析一下轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點(diǎn)的數(shù)量是否存在一定的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)分別利用圖1中KH21、KH22、KH23三個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn),和利用圖1中KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個(gè)點(diǎn)為已知點(diǎn),兩組已知點(diǎn)都使用4參數(shù)轉(zhuǎn)換的方式計(jì)算得到兩組RTK轉(zhuǎn)換參數(shù),分別使用這兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段且使用同一個(gè)基準(zhǔn)站對(duì)KH31-KH34共4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取,分別與KH31-KH34共4個(gè)點(diǎn)的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
通過上表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,在選用不同數(shù)量已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí),其觀測(cè)結(jié)果與已知點(diǎn)相比較誤差也有不同。從表3中X、Y兩個(gè)平面方向坐標(biāo)使用不同轉(zhuǎn)換參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在使用KH21、KH22、KH23三個(gè)點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都很小,幾乎都在10mm以內(nèi);而使用KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七個(gè)點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),各點(diǎn)的RTK觀測(cè)值與各點(diǎn)已知坐標(biāo)的較差都較大,基本都在10mm以上;通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,使用KH21、KH22、KH23三點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)得到的RTK測(cè)量值精度更高,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明觀測(cè)誤差在2cm范圍內(nèi),能夠達(dá)到工程測(cè)量的要求。在高程觀測(cè)精度上,通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,兩套轉(zhuǎn)換參數(shù)的觀測(cè)誤差都較大,所以RTK在高程測(cè)量方面的精度是難以保證的。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,使用更多的已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)并不能使RTK測(cè)量結(jié)果更為精確,根據(jù)4參數(shù)模型計(jì)算原理,若參與計(jì)算的已知點(diǎn)多于兩個(gè)就會(huì)使轉(zhuǎn)換參數(shù)存在殘差,這是由于已知點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)下所構(gòu)成的基線長(zhǎng)度與這些已知點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系下構(gòu)成的基線長(zhǎng)度不相等造成的,其實(shí)質(zhì)原因是因?yàn)橐阎c(diǎn)的數(shù)據(jù)可能存在一定誤差,如果把存在誤差的已知點(diǎn)用來計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)就會(huì)造成轉(zhuǎn)換參數(shù)不夠精確,從而影響RTK數(shù)據(jù)的精度。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)個(gè)數(shù)與RTK觀測(cè)質(zhì)量并無直接關(guān)系,如果已知點(diǎn)存在誤差還會(huì)降低RTK觀測(cè)質(zhì)量。
4 結(jié)論與展望
本文通過在常規(guī)小區(qū)域工程測(cè)量實(shí)施環(huán)境的觀測(cè)條件下,分析轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確度與已知點(diǎn)的數(shù)量關(guān)系等實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論:
(1)在常規(guī)小區(qū)域工程測(cè)量實(shí)施環(huán)境的RTK觀測(cè)條件下,選用四參數(shù)模型求解轉(zhuǎn)換參數(shù),得到更好的定位精度結(jié)果。
(2)在采用相同已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),上午和下午的平面觀測(cè)精度要明顯好于中午時(shí)段的觀測(cè)精度。
(3)在選用不同已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí),選擇形成更穩(wěn)固的網(wǎng)型的控制點(diǎn)作為求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn),以及選擇更為可靠的已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù),能夠?qū)D(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而有效提高RTK平面測(cè)量成果的精度。
(4)實(shí)驗(yàn)證明在選用不同數(shù)量已知點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)在同時(shí)段對(duì)相同點(diǎn)進(jìn)行RTK觀測(cè)時(shí),參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)個(gè)數(shù)與RTK觀測(cè)質(zhì)量并無直接關(guān)系,如果已知點(diǎn)存在誤差還會(huì)降低RTK觀測(cè)質(zhì)量。
在實(shí)驗(yàn)的過程中求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí),手部無法顯示出參與計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知點(diǎn)是否存在殘差,若能實(shí)時(shí)獲取已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)存在的殘差數(shù)據(jù),則可對(duì)殘差較大的已知點(diǎn)進(jìn)行剔除,選擇更精確的已知點(diǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換參數(shù)的優(yōu)化,提高測(cè)量精度。
參考文獻(xiàn):
[1]余小龍,胡學(xué)奎.GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景[J].測(cè)繪通報(bào),2007(10):39-41.
[2]顧勝東,劉長(zhǎng)義.淺談GPS-RTK轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)平面精度的影響[J].山西建筑,2008,34(14):358-359.
內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào):2016QDL-S07