劉晨辰+薛亮

【摘 要】本文簡(jiǎn)述GPS原理，介紹GPS RTK相關(guān)工作原理以及兩種測(cè)量模式，并結(jié)合其在一個(gè)工程中實(shí)際應(yīng)用的例子，指出其相較于傳統(tǒng)工程測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】GPS；RTK；工程測(cè)量

1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡(jiǎn)稱GPS）是美國(guó)從20實(shí)際70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

1.1 GPS的構(gòu)成

GPS主要由GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控部分。用戶接收處理部分組成。

1.1.1 空間部分

GPS空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導(dǎo)航的衛(wèi)星，3顆為活動(dòng)的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行，衛(wèi)星的運(yùn)行周期約為12恒星時(shí)。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)射用于導(dǎo)航定位的信號(hào)。GPS用戶正是利用這些信號(hào)來進(jìn)行工作。

1.1.2 地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的若干個(gè)跟蹤站組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構(gòu)成，根據(jù)起作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。GPS的地面監(jiān)控部分主要作用是根據(jù)獲得數(shù)據(jù)計(jì)算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)反饋給衛(wèi)星，同時(shí)也可以對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作。

1.1.3 用戶接收處理部分

GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等）組成。它的作用是接受GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)。并利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位工作。

1.2 GPS RTK工作原理

1.2.1 GPS定位原理

GPS定位是根據(jù)測(cè)量中的距離教會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的。在待測(cè)點(diǎn)Q設(shè)置GPS接收機(jī)，在某一時(shí)刻GPS同時(shí)接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星S1，S2，S3所發(fā)出的信號(hào)。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心（測(cè)站點(diǎn)）至衛(wèi)星的距離P1，P2，P3。根據(jù)衛(wèi)星行李可獲得該時(shí)刻3顆衛(wèi)星的三維坐標(biāo)（Xi，Yi，Zi），i=1，2，3，從而由下式解算出Q點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）：

P12=（X-X1）2+（Y-Y1）2+（Z-Z1）2

P22=（X-X2）2+（Y-Y2）2+（Z+Z2）2

P32=（X-X3）2+（Y-Y3）2+（Z-Z3）2

1.2.2 RTK工作原理

RTK，即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位（real time kinematic positioning）。相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位，由于采用的載波相位觀測(cè)值存在整周模糊度參數(shù)，要實(shí)現(xiàn)精密動(dòng)態(tài)相位定位，必須預(yù)先解算載波相位整周模糊度，一旦整周模糊度確定，則定位結(jié)算只需4顆以上衛(wèi)星的同步觀測(cè)值一個(gè)歷元即可。如果將參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)（或改正數(shù)）通過無線數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到流動(dòng)站接收機(jī)，流動(dòng)站接收機(jī)在確定（或稱固定）載波相位觀測(cè)值的初始模糊度后（又稱初始化完成），就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位（RTK）。目前，在一定的范圍內(nèi)（如流動(dòng)站和參考站間的距離小于20km時(shí)），其定位精度可達(dá)1～2cm以內(nèi)。

2 GPS RTK的兩種測(cè)量模式

2.1 快速靜態(tài)定位模式

測(cè)量過程中要求GPS接收機(jī)在每一流動(dòng)站上，靜止地進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過程中，同時(shí)接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算整周模糊度和用戶站的三維坐標(biāo)，如果結(jié)算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，便可以結(jié)束實(shí)時(shí)觀測(cè)。一般應(yīng)用在控制測(cè)量中，如控制網(wǎng)加密若采用常規(guī)測(cè)量方法（如全站儀測(cè)量），受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實(shí)施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測(cè)量，可起到事半功倍的效果。單點(diǎn)定位只需要5min～10min，不及靜態(tài)測(cè)量所需時(shí)間的1/5，在工程測(cè)量中可以基本代替全站儀完成工作。

2.2 動(dòng)態(tài)定位

測(cè)量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測(cè)數(shù)分鐘（有的儀器只需2～10s）進(jìn)行初始化工作，之后流動(dòng)站就可以按欲動(dòng)的采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。動(dòng)態(tài)定位模式可以進(jìn)行一般工程放線工作，方便快捷，且測(cè)量過程不需要通視，有著常規(guī)測(cè)量?jī)x器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

3 在工程中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

藍(lán)色硅谷軌道交通工程項(xiàng)目南起青島嶗山苗嶺路北至青島即墨市鹽田東，全長(zhǎng)59.2km，共設(shè)車站22座。平面基準(zhǔn)為青島城市坐標(biāo)系（東部帶），1980西安坐標(biāo)系參考橢球，高斯投影中央子午線120度、45分帶，投影面高程0m。

本文針對(duì)其利用GPS RTK模式對(duì)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量的結(jié)果與采用常規(guī)導(dǎo)線測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析其特點(diǎn)。

3.2 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

本次測(cè)量采用GPS型號(hào)為徠卡GPS1200，采用全站儀型號(hào)為徠卡TC802，均可滿足測(cè)量精度需要。

測(cè)量以測(cè)繪院提供坐標(biāo)為真值，利用兩種一起分別進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，最終得到測(cè)量結(jié)果如表1：

兩種測(cè)量方式與坐標(biāo)真值進(jìn)行比對(duì)，獲得相互之間差值，如表2：

其中，全站儀測(cè)量結(jié)果與坐標(biāo)真值最大差值為0.0091，GPS測(cè)量結(jié)果與坐標(biāo)真值最大差值為0.0059，所的結(jié)果均符合工程測(cè)量規(guī)范（GB50026-2007）要求，且兩種測(cè)量方式對(duì)同一點(diǎn)所得到數(shù)據(jù)差值較小，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行替代使用。

4 GPS RTK在工程測(cè)量使用中的優(yōu)劣勢(shì)

4.1 優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于常規(guī)測(cè)量手段來說，GPS RTK在工程測(cè)量中主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）測(cè)量精度高，根據(jù)所選設(shè)備最高能達(dá)到毫米級(jí)；

2）測(cè)站之間無需通視，解決了復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)線測(cè)量所無法完成的工作；

3）觀測(cè)時(shí)間短，一個(gè)測(cè)點(diǎn)僅需幾分鐘即可完成；

4）儀器操作簡(jiǎn)便，只要懂得最基本操作即可；

5）全天候作業(yè)，不受周圍環(huán)境明暗影響；

6）根據(jù)實(shí)際情況可以提供三維坐標(biāo)。

4.2 劣勢(shì)

但是，GPS RTK在應(yīng)用中也存在以下問題：

1）精度受到與基站距離，以及信號(hào)強(qiáng)度影響較，少數(shù)測(cè)區(qū)存在一些干擾源，造成RT K 測(cè)量質(zhì)量不正常。

2）所得到的結(jié)果不穩(wěn)定，必須為固定解才能正常使用。

3）天空環(huán)境影響。白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，初始化時(shí)間長(zhǎng)甚至不能初始化，達(dá)不到測(cè)量要求。GPS-RT K 半徑比其標(biāo)稱半徑要小很多，工程實(shí)踐和專門研究都證明了這一點(diǎn)，解決這類問題的有效辦法是把基準(zhǔn)站布設(shè)在測(cè)區(qū)中央的最高點(diǎn)上。

4）數(shù)據(jù)的處理主要查看PDOP 值是不是超限，放樣精度是不是達(dá)到作業(yè)精度的要求，基線距離是不是在規(guī)定的距離范圍內(nèi)等等，如達(dá)不到要求需考慮結(jié)合全站儀測(cè)量。

5）高程異常問題。RT K 作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確，但我國(guó)現(xiàn)有的高程異常圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在較大誤差，在有些地區(qū)還是空白，這就使得將GPS-RT K 大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得相當(dāng)困難，精度也不均勻。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)的基礎(chǔ)工程建設(shè)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，這就對(duì)測(cè)量技術(shù)提出了更高的要求，目前工程測(cè)量中雖已采用電子全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但常規(guī)測(cè)量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制， 作業(yè)強(qiáng)度大且效率低，大大延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。

GPS RTK 應(yīng)用于工程測(cè)量時(shí)可根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的精度指標(biāo)，確定觀測(cè)時(shí)間，提高工作效率。展望未來，俄羅斯的GLONASS，歐盟的GALLIEO 以及我國(guó)的北斗都在亞太地區(qū)具備完全導(dǎo)航能力。我國(guó) 2000 國(guó)家大地控制網(wǎng)為GPS-RT K 提供了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐。隨著各部委、城市、礦區(qū)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS）的建立和GPS 軟硬件的不斷更新，GPS RTK 技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用有著非常廣闊的前景。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]