GPS RTK数字测图中应注意的问题
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[摘 要] gps rtk 具有定位精度高、无需通视、测量工作效率高等优点。实际作业中，还有一些因素影响RTK的作业精度，必须分析RTK作业精度的影响因素和减弱措施，提高测量精度。
[关键词] GPS RTK 全站仪 数字测图
1.概述
在数字化测图中，全站仪的应用已相当的普遍，是数字测图变得简易可行。但是，用全站仪采集数据时，需要对测区进行控制后才进行碎部点采集，并且全站仪设站次数多，测图到计算需要较长时间。GPS RTK技术经过近20多年的发展，其理论及其应用日臻完善、成熟、广泛，由于具有全天候、无需通视、定位精度高、实时定位等优点，使得GPS技术应用于数字测图，提高生产效率。
2.RTK技术
常规的GPS （Global Positioning System ）测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得较高级的精度，而GPS RTK技术是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real－Ｔime Ｋinematic）方法，是全球卫星定位系统（GPS）应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图、地籍测绘等各种控制测量、工程测量中带来了显著的经济效益，极大地提高了野外生产效率。高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
实时动态RTK测量系统是GPS 测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统，是以载波相位观测量为基础的实时差分GPS (RTDGPS)测量技术。系统主要由基准站、流动站（一个或多个）及数据三个部分组成。基准站设在具有已知点坐标的高级控制点上，连续接受所有可视卫星信号，并将测站点坐标、天线高、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等参考信息通过数据链发送给流动站，而流动站在跟踪GPS 卫星信号的同时接受来自基准站的数据，通过差分处理解算与基准站之间的三维坐标增量X、Y、Z ,由此计算流动站的坐标。
当流动站离基准站较近（不超过15Km）时，上述假设一般均能较好地成立，此时利用一个或数个历元的观测资料即可获得厘米级的定位结果。为消除卫星钟和接收钟的钟差，削弱卫星星历误差，电离层延迟误差和对流层延迟误差的影响，在RTK中都采用双观测值。然而随着流动站和基准站间间距的增加，误差相关性将变得越来越差。轨道偏差、电离层延迟的残余误差和对流层延迟的残余误差项都将迅速增加，从而导致难以正确确定整周模糊度，无法获得固定解。
3.RTK定位精度指标
由于RTK定位的数据处理过程是计算基准站和流动站之间的基线向量即坐标增量的过程，不存在网平差处理，因此，精度评定一般使用俩个技术指标：载波相位的是否固定和均方根RMS值。整周模糊度决定流动站点的坐标值是固定解还是浮动解，在RTK的有效范围内，浮动解的精度在分米级到米之间，只有固定解才能达到厘米级的定位精度：均方根确定了定位精度大小，值愈小精度越高。
4.影响RTK作业精度的因素分析
RTK技术的关键在于数据处理和数据传输技术，主要有三个方面：一是求解起始的整周模糊度（初始化）；二是基准站与流动站之间的数据传输；三是合适的坐标转换参数。在实际作业中，还有一些其他因素也会影响RTK的作业精度，需要做具体的分析。
4.1 整周模糊度确定
RTK确定整周模糊度，目前应用最多的是OTF算法。OTF算法已经能在几秒时间内实现整周模糊度的快速准确求解，较好地解决了GPS信号失锁后的快速重新初始化。要确定整周模糊度，必须要有适合的PDOP值。在实际作业中会出现这样的情况：基准站和流动站能同时跟踪同时能跟踪4颗以上的卫星，无线电接受良好，但初始化时间长。原因是有的卫星高度角低，且极不稳定，容易失锁，这样就造成了卫星数目虽多，但PDOP值很大，且信噪比低。PDOP值越小，解算模糊度的速度越快、越可靠。一般RTK测量中PDOP值应不大于6。另外，基准站与流动站的距离越近，求的的固定解月稳定，精度也越高。
4.2 数据链通信传输
RTK采用超短波进行差分数据传送，这个波段主要是超高频UHF波和甚高频VHF波，UHF波长为0.1～1米，VHF波长为1～10米。UHF波长短，因此UHF的天线长度比VHF天线更短，发射机天线更便于安装，小巧的天线便于野外作业，所以当前的RTK通信主要采用UHF波。
因此RTK作业时，数据传输的传播条件比较复杂，这是由在运动中进行无线通讯这一方式本身决定的。要在这样的传播条件下保持可以接收的传输质量，必须采用各种措施来抵消引起UHF波衰减的不利影响。为了增强通信能力，主要采取下列措施：⑴把RTK的基准站布设在RTK有效测区中央最高的控制点上；⑵提高基准站和流动站天线的假设高度；⑶使用高增益天线及高灵敏度接收机；⑷尽量缩短测点到基准站点间的距离，使其能满足“电磁波通视”；⑸在隐蔽区域段，增设中继站。
4.3坐标转换参数求定
WGS-84 坐标系到地方坐标系的转换参数问题是RTK流动站实现实时提供坐标成果的一个主要环节，坐标转换参数的确定误差是RTK作业的一个主要环节，选测合适的坐标转换模型，求得高精度的转换参数至关重要。
求解转换参数，常用七参数法，而坐标转换的精度取决于已知参考点和待测点的几何关系。七参数法的优点在于能够保持GPS 测量的计算精度，只要地方坐标足够精密，公共点的分布合理，不管区域的大小都能适用。
分析转换模型可以看出，3个旋转参数、3个平移参数和尺度参数之间存在着很强的相关性，这会导致个参数之间不易分离，作用相互转换。一般应根据测区大小决定是采用三参数（只考虑坐标平移）还是七参数模型。七参数模型需要不少于3个已知公共点，三参数模型只需一个已知公共点，当条件不够时，可以采用三参数求解。由于地球动力学的原因，受ITRF制约的WGS-84 坐标系是不断变化的，工作时期不同，同一测区的转换参数也要根据最新的坐标成果求解。
通过上述分析，求坐标转换参数时必须顾及：⑴一直公共点最好选在测区四周及中心，均匀分布，能有效地控制测区内的测量精度；⑵坐标转换参数的精度与选用的已知公共点的坐标精度密切相关，所以已知点的WGS-84 坐标和地方坐标都需要有较高的精度;⑶为校验转换参数的精度和正确性，还应选择几个已知点不参与计算，用于检核。
4.4基准站精度和作业环境
由RTK的工作原理可知，如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都会带有系统偏差。因此，基准站坐标具有较高的精度非常重要。第一次设置基准站，应联测一个已知点进行检核，联测的已知点尽量采用已建成的国家高等级GPS点、三角点或在一个控制网内经过统一平差的GPS点。如果没有已知点可联测，基准站必须先进行单点定位，测定WGS-84 坐标坐标一般取10分钟以上的观测数据。
选择基准站时，应考虑影响GPS测量的环境因素，避免多路径效应影响，基准站的选择要合适：⑴周围没有明显的障碍物；⑵要远离大功率无线电发射台、变电站、飞机场、高压线等无线电干扰源，以避免对GPS 信号的干扰影响；⑶远离大面积水域和有平整表面的高大建筑物，防止GPS 信号的干扰影响。
4.5 电离层因素
电离层就是由太阳放射的高能辐射（主要是紫外线）使地球上空的空气电离而形成的。电离层受太阳、昼夜和四级变化影响很大，尤其是太阳黑子活动周期的影响（太阳黑子活动周期为11年）。
电离层活动直接取决于太阳黑子的数量，太阳黑子活动高峰期，GPS测量的电离层误差在太阳黑子爆发时，其影响大50ppm,所以在太阳黑子活动高峰期最好不要进行RTK测量。
4.6 人为因素
测量员作业的熟练程度也会影响RTK的作业精度。测量作业时，如果屏幕显示不是固定固定解就记录数据，会使流动站的精度很低，甚至出现错误；如果接收机天线未保持垂直，测设的结果就不可取，人为地降低了流动站坐标精度；如果电瓶电量不足，也会降低流动站测设的坐标的精度和可靠性。因此，测量人员必须严格按作业程序操作。
5.隐蔽区域数据采集
在山区狭长峡谷和森林茂盛区域，GPS 信号很弱，极不稳定，还有在山坡体较陡的区域，即便有GPS 信号，人工无法采点。此时要放弃RTK采集数据，用全站仪采集数据。在山坡体较陡的区域，采用交会法施测地形点。
与常规测量相比，RTK测量需要的测量人员少，作业时间短，能够极大地提高工作效率。但是在实施时，也可能会出现一些问题，影响工作进度，主要有一下几方面。
⑴ 当测区较大时，需分组作业，各作业小组要注意分工合作，不能漏测，也不要重测造成浪费。在RTK测量困难地区(如GPS 信号较弱的隐蔽区域、山坡较陡人员不能攀行的区域)，应利用全站仪、交会法（或其他方法）采集数据。
⑵ 选择基准站时要考虑数据链能否正常工作，因为电台的功率一般比较低，又是“近直线”方式传播，所以要考虑距离和“视场”。一般基准站选择在靠近测区中央、位置较高的地方。
⑶ RTK测量之前，一定要联测已知点，评定测量精度。
⑷ 在不“失锁”的情况下，获得待定点的固定解只需1～2s的时间，否则要8～15s的时间。如果周围存在高大建筑物、山体、强电流或反射性强的大面积水域等反射物，有时会出现解算时间较长甚至无法获取固定双差解的情况。
⑸ 个别地物或特征点无法直接测量时，可通过其他手段或方法（如几何法）解决。
7.结束语
本文讨论了GPS RTK测量技术以及RTK作业精度的影响因素和减弱措施作了分析，提出了一些有益的建议。
⑴ 基于RTK测量技术，比较系统地分析了影响RTK作业精度的各种因素，并讨论用相应的方法来消除或减弱这些因素的影响，有效提高测量精度。
⑵ RTK采用了载波相位动态实时差分方法，能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，在控制测量、数字地形测图、工程放样中的应用，极大地提高了外业作业效率。
⑶ RTK测量技术的应用使传统测量工作变得简单、轻松，拓展了GPS的应用领域。
参考文献：
[1]周忠谟，易杰军.GPS卫星测量与原理【M】.北京：测绘出版社，1997.
[2]李引生，周朝义，王海滨. GPS RTK定位的几项关键技术问题分析【J】.勘察科学技术，2005，（2）.
作者简介：
罗亚利（1975―），男，宁夏固原人，助理工程师，从事水利工程测量。
注：
该论文在编写时得到我院高级工程师余志贵的指导，在此特表感谢。