張景鵬

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

GPS-RTK技術在水文斷面上小區(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點的測量實驗數據進行比較分析，研究了RTK在小區(qū)域內觀測成果的可靠性、穩(wěn)定性及精度，分析了RTK在小區(qū)域測量中實現高精度測量的技術可行性，總結出了RTK在小區(qū)域測量中的一些經驗。

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系到流量測驗精度，所以提高測量精度成為當前為水文斷面測量提供有效數據的有力措施，而當前各水文站普遍采用水準儀進行斷面測量，不僅局限于河床地勢影響，也局限于人力因素受制。

RTK即實時動態(tài)差分法定位技術，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)、動態(tài)測量）都需要在事后對其所采集的數據進行解算才能得到厘米級的高精度，而RTK卻是能夠在野外實時獲得厘米級的定位精度，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現斷面測量的高精度、高效率。

1 主要目標

RTK測量結果的精度高低直接影響著其應用范圍的大小，所以對GPS-RTK測量達到更高精度的影響因素進行分析研究，對推廣其在水文斷面測量的實踐應用也有一定的現實意義。文中研究的目標是：

1）通過對實驗數據的總結分析，提出在小區(qū)域內控制GPS-RTK測量誤差的途徑；

2）得出斷面測量小區(qū)域內RTK高精度測量定位的方法和操作流程；

3）通過實驗來驗證RTK在小區(qū)域內測量成果的穩(wěn)定性及可靠性。

2 研究內容

本文將主要研究在小區(qū)域內已知高精度的控制網下，利用RTK對控制點進行測量，通過對RTK測量過程中的各個流程進行系統(tǒng)地分析和整理，然后對其測量成果進行精度的檢測與分析，最終得出GPS-RTK在小區(qū)域內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在：GPS-RTK系統(tǒng)自身對測量精度的影響、衛(wèi)星信號的影響、流動站距和基準站之間的基線長度的影響。

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

1）通過實例對小區(qū)域環(huán)境里，不同時間、不同時間段、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)定性進行探討和分析。

2）實際測量時，在小區(qū)域短基線GPS-RTK測量條件下，采取將全部點參與計算的方式將實驗所要用的4個參數求解出來，剔除殘差較大的點，最終獲得適合本區(qū)域的最優(yōu)轉換參數。

3）用RTK測量的點的三維坐標與已知數據進行對比、檢測分析，從而來分析RTK小區(qū)域測量成果的質量。

2.1 統(tǒng)組成

GPS-RTK由3個獨立的部分組成：

1）基準站。主要包括基準站的GPS接收機及衛(wèi)星的接收天線、無線電數據鏈電臺及信號發(fā)射天線、直流電源等?；鶞收疽话愣技茉O在地勢較高且無太多遮擋物的地方。其作用是對范圍內的所有可見衛(wèi)星進行觀測，并將觀測到的各種數據通過數據鏈實時地傳送給流動站。

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

3）用戶設備部分。接收來自GPS衛(wèi)星所發(fā)射來的信號，來獲得導航和定位所需的必要信息，數據經過自動處理，從而來完成導航及定位工作。GPS接收機硬件包括主機、天線和電源。

2.2 測量原理

RTK又稱載波相位實時動態(tài)差分技術，是基于載波相位觀測原理的實時動態(tài)定位技術。它的兩個主要組成部分：基準站的作用是連續(xù)地把觀測到的衛(wèi)星數據通過數據鏈發(fā)射出去；流動站的作用是實時地對基準站和流動站的載波相位觀測值進行差分處理，并且獲取流動站當前所在點的坐標、精度指標及高程，從而實時地提供測站點在指定的坐標系中的三維定位結果，并使精度達到厘米級。

其工作原理：首先，將1臺GPS接收機安置于選擇好的基準站上，另1臺或幾臺GPS接收機安放于載體（流動站）上，基準站和流動站同時開始接收相同時間、相同的GPS衛(wèi)星所發(fā)射出的信號。然后，基準站實時地將其測量計算出的載波相位觀測值、偽距觀測值以及基準站的坐標等信息通過電臺，以無線電的方式傳送給運動中的流動站，而流動站通過無線電臺接收來自基準站的各種信息，實時地對其所接收到的載波相位觀測值進行差分處理，從而得到基準站和流動站間的基線向量（△X，△Y，△Z）；所得到的基線向量加上基準站的坐標便可以得到流動站每個點的WGS-84坐標，再通過坐標轉換參數轉換計算得出流動站每個點的平面坐標X，Y和正常高h。

RTK作業(yè)模式主要包括：

1）快速靜態(tài)測量。這種模式下，GPS接收機必須靜止在用戶站上進行觀測。在觀測過程里，連同接收到的基準站的同步觀測數據，實時地進行整周未知數和用戶站的三維坐標的解算。在此期間，用戶站上的GPS接收機在流動時，可以不必保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。

2）動態(tài)測量。與前面的模式相同，首先要靜止地觀測幾分鐘，然后進行初始化，成功后，運動的接收機便開始以預先設定的時間間隔進行數據采集，并確定其所在的位置。但是在其流動的期間，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據進行解算才能獲得厘米級的高精度，而GPS-RTK卻能夠在野外實時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態(tài)實時差分的方法，其現在已被廣泛地應用在控制測量、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）準動態(tài)測量。在其流動期間，必須要保持對GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，否則就要重新進行初始化。

GPS-RTK測量首先是將1臺接收機安置在已知點上對范圍內的可視GPS衛(wèi)星進行觀測。然后，將采集到的載波相位觀測量通過基準站的電臺，以特定的載波形式發(fā)射出去，而流動站則是在對GPS衛(wèi)星進行觀測并采集自身的載波相位觀測量的同時，也通過流動站的接收電臺接收來自基準站電臺所發(fā)射出的信號，經過解調得到基準站的載波相位觀測量；流動站的GPS接收機再利用OTF（運動中求解整周模糊度）技術，根據基準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，最后求出流動站的位置，并獲得厘米級的高精度，具體過程見圖1。

圖1 GPS RTK數據流程示意圖

3 RTK定位精度及可靠性分析

3.1 數據的獲取

本文實驗所測得點為阜新市韓家杖子水文站控制點，其已知坐標見表1。

表1 水文站控制點已知坐標

3.2 精度分析

3.2.1 同一時段內對同一點多次測量的實驗及成果精度分析

1）實驗概況

此次實驗是將基準站建立在周圍比較開闊的地方，然后用RTK測量這些已知點的坐標。實驗地點是阜新市韓家杖子水文站，視野比較開闊，而且已知控制點滿足實驗要求。

2）實驗步驟：

①選一片開闊的區(qū)域，將基準站架好。啟動手簿將其與基準站藍牙連接，按需將其與本實驗相關設置調好，然后斷開手簿與基準站的連接。

②將流動站開機，在其初始化完成后，將手簿與基準站通過藍牙連接。完事后，依次點擊“工程—新建工程”，在出現的界面中輸入工程名稱，點擊確定。然后進行以下步驟：點擊“配置—坐標轉換參數設置”，在出現界面的投影一欄下，將其中央子午線改成阜新所在的123，再點擊確定；依次點擊“配置—主機設置—儀器設置”，出現的界面中選中流動站，將其配置參數按要求設置。

③求取轉換參數。由于水文站斷面內地勢平坦，且測區(qū)面積較小，因此測區(qū)的坐標平面轉換參數和高程擬合參數直接用接收機手簿里自帶的計算軟件分別按四參數法和平面擬合法求得。點擊“輸入—求取轉換參數”，在出現的頁面中點擊增加，將要求取轉換參數所需的點（201，201-4，201-5）的坐標增加進去，并在每個點上實際獲取一遍各個點的坐標，即完成了轉換參數的求取。之后就可以開始對各個點進行RTK測量。

④分別在兩天的相同時段對點進行坐標數據的采集。在采集點的數據時，當手簿上顯示所測點的精度已經達到固定解的時候，即可保存改點的數據，然后再次對此點進行重復測量，當精度達到時就保存數據，并依此進行其他各個點的測量，直到所有點觀測完成。其他幾個時段亦是如此。

3）精度評定及結論

對RTK在同一時段對點進行的重復測量成果與已知點的坐標進行對比分析，結果見表2，其中△X，△Y，△H分別表示已知值和RTK重復測量得到的點的橫坐標和縱坐標的差值以及高程的差值。

由表2數據可看出測點1—5X坐標的差值（絕對值）最大值分別為0.018，0.017，0.018，0.016，0.019 m，Y坐標的差值（絕對值）最大值分別為0.017，0.038，0.011，0.006，0.018 m，點位誤差（絕對值）最大值分別為0.025，0.038，0.019，0.016，0.019 m，H坐標的差值（絕對值）最大值分別為0.048，0.045，0.047，0.048，0.044 m。

計算可得RTK測量1—5點的點位精度Ms=±0.016，±0.030，±0.015，±0.010，±0.014 m；

通過以上RTK重復測量結果與已知數據的比較，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)域內的測量成果坐標精度都在5 cm以下，重復測量效果很好，RTK小區(qū)域內測量成果的精度較高。

表2 不同測點重復測量與已知數據對比m

續(xù)表2不同測點重復測量與已知數據對比m

3.2.2 不同時間段對相同點進行多次測量的實驗及成果精度分析

1）實驗概況

此次實驗是將基準站建立在周圍比較開闊的地方，然后用RTK測量這些已知點的坐標。

2）實驗方法

首先，每次實驗都將基準站、流動站的配置參數設置成實驗所需，然后分別在7月24日、7月28日的上午、下午兩個不同的時段進行點的數據采集，并將其保存下來。

3）精度評定及結論

同一天的不同時段所測數據及不同天的不同時段數據的精度分析見表3。

通過對表3中數據的精度分析可以看出，在上午和下午兩個時段，時段對小區(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，時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時段的實驗所采集的數據穩(wěn)定性、可靠性還是較高的。所以，認為RTK在正常情況下，不同時段內的測量結果是穩(wěn)定、可靠的，其可持續(xù)提供高精度的測量成果。

4 結語

本文主要研究了GPS-RTK的定位原理、在小區(qū)域內測量的成果精度等，并通過實驗的方法檢驗了GPS-RTK在小區(qū)域內的定位精度，其主要結論可以歸納為以下幾點：

1）通過對RTK測量的結果和阜新市韓家杖子水文站的復測控制點進行比較，可以得出RTK小區(qū)域內測量成果可靠，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)域內的測量在平面坐標上的較差都在5 cm以下，部分平面坐標的較差還在毫米級。因此，RTK在斷面測量中的精度較高。

2）在小區(qū)域內進行RTK測量時，大量的樹木、高壓線、高大的建筑物、大面積水域都會對RTK的測量成果有一定的影響，所以在進行RTK觀測時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)域內測量的精度。

3）在進行測量時，要待觀測衛(wèi)星的圖形強度較高時采集數據；其次，作業(yè)員的責任心要強，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，要嚴格遵守操作規(guī)程。

表3 相同日期不同時段觀測結果分析m

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