ＧＰＳ　ＲＴＫ應(yīng)用的風(fēng)險分析與技巧提示

袁香奎

摘要:文章主要對GPS RTK 應(yīng)用的風(fēng)險分析,結(jié)合了筆者的一些個人經(jīng)驗作了一些技巧的提示。

關(guān)鍵詞:GPS RTK應(yīng)用;風(fēng)險分析;技巧提示

中圖分類號:P228文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)21-0153-02

一、工作原理

GPS RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)又稱載波相位動態(tài)實時差分技術(shù)。它的出現(xiàn)使測量野外工作變得更加輕松,更加有效,更加靈活。真正實現(xiàn)多快好省。

GPS RTK技術(shù)系統(tǒng)主要包括基準(zhǔn)站、流動站和數(shù)據(jù)鏈三部分。它們之間好比接力棒,首先基準(zhǔn)站接收機(jī)連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號,并將測站點的坐標(biāo),偽距觀測值,載波相位觀測值,衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)等通過無線數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站個項數(shù)據(jù),而且還要同步觀測采集GPS衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)對差分觀測值進(jìn)行實時處理,求解載波相位的整周模糊度(衛(wèi)星與接收機(jī)之間的載波的整數(shù)),依據(jù)基準(zhǔn)站和流動站之間的動態(tài)相關(guān)性,參入不同坐標(biāo)系之間的數(shù)學(xué)模型擬合,得出流動站的三維坐標(biāo)值。由于它使用的載波無線信號容易受到干擾,因而它的使用在某些場合有一定的風(fēng)險。目前國家也無GPS RTK 作業(yè)模式的國標(biāo)規(guī)范,成果精度一直受到質(zhì)疑。盡管如此,它的快速時效卻受到了測量人的倍加鐘愛。

二、GPS RTK風(fēng)險因素分析

影響RTK作業(yè)精度的主要原因是源于整個GPS系統(tǒng)的局限性,其次是來源于RTK傳輸數(shù)據(jù)鏈本身,RTK數(shù)據(jù)鏈的傳輸與相關(guān)環(huán)境有較大的依賴關(guān)系。

1.衛(wèi)星信號。衛(wèi)星信號是GPS RTK測量的核心。只有穩(wěn)定連續(xù)可靠穿透能力強(qiáng),衛(wèi)星分布均勻的射頻衛(wèi)星信號,才能有效捕捉清晰度高,活力四射的衛(wèi)星信號,如若受到干擾,輕則可能發(fā)生信號衰減重則發(fā)生信號畸變,初始化無法實現(xiàn),直接產(chǎn)生觀測誤差。主要表現(xiàn)為電離層延遲和對流層延遲,使得衛(wèi)星信號的傳播速度發(fā)生變化,傷及衛(wèi)星信號的傳播路徑。

2. 氣象因素。任何測量技術(shù),不論是光學(xué)的還是RTK ,必須處理大氣誤差,通常用PPm表示。傳統(tǒng)的光學(xué)測量是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臏囟群蜌鈮簵l件計算大氣改正。而RTK是以固化軟件提供的建模格式處理動態(tài)變化的大氣,算法更加復(fù)雜。當(dāng)天氣發(fā)生急劇變化時,RTK觀測值將會出現(xiàn)粗差,當(dāng)太陽黑子活動頻繁時,電離層將會對衛(wèi)星信號產(chǎn)生折射誤差。

3.外界環(huán)境。由于測量工作無處不在,GPS RTK的應(yīng)用環(huán)境也有所不同。在建筑密集區(qū)或樹林茂密區(qū),高度截止角過小,空間不夠開放,影響電磁波的傳播。在強(qiáng)電磁場或輻射源附近作業(yè),衛(wèi)星信號會被磁力吸收,使衛(wèi)星信號難過這樣的鬼門關(guān)。在碧波萬頃的大面積水域進(jìn)行GPS RTK 作業(yè)時,水面恰似一面鏡子,將電磁波信號反射得所剩無幾,使數(shù)據(jù)鏈發(fā)生斷鏈。另外,RTK測量的精度隨著基準(zhǔn)站與流動站距離的增長,精度會逐漸降低,當(dāng)距離達(dá)到一定值時,誤差將顯著增大,甚至發(fā)生突變。

4.校正點精度。如果校正點精度較低,通過誤差傳播,流動站得到的三維坐標(biāo)也會帶有系統(tǒng)偏差。求解平面或高程轉(zhuǎn)換參數(shù)時,如果對出現(xiàn)的粗差處理不當(dāng),將直接影響測量精度。

5.高程異常。我們知道,地面點沿橢球法線到參考橢球面的距離叫做大地高,地面點到似大地水準(zhǔn)面的距離叫正常高,似大地水準(zhǔn)面與橢球面之間的距離稱為高程異常。在一定范圍內(nèi),高程異常值可能不為常量,尤其在高程異常變化劇烈地區(qū),這就使得高程擬合存在“跑題”的風(fēng)險。

6.觀測時間。GPS依靠的是接收從地面以上約2萬公里的衛(wèi)星發(fā)射來的信號,衛(wèi)星的運轉(zhuǎn)是動態(tài)變化的,圍繞地球的轉(zhuǎn)動,衛(wèi)星相對于地球某點的視場角發(fā)生變化,造成某一時段通道的信噪比強(qiáng),某一時段又很差,根據(jù)經(jīng)驗,如中午11點至下午3點半這段時間,衛(wèi)星星信號相對較差,因而合理選擇作業(yè)時間,對于避讓粗差風(fēng)險至關(guān)重要。

7.客觀因素。有關(guān)研究表明,RTK確定整周模糊度的可能性不足95%,致使RTK成果的精度降低,這也是RTK測

量規(guī)范遲遲未能出臺的原因之一。

三、降低風(fēng)險的措施

1.編制衛(wèi)星可見性預(yù)報。RTK作業(yè)前要進(jìn)行嚴(yán)格的衛(wèi)星預(yù)報,選取PDOP<6,衛(wèi)星數(shù)>6的時間窗口。編制預(yù)報表時應(yīng)包括可見衛(wèi)星號、衛(wèi)星高度角和方位角、最佳觀測衛(wèi)星組、最佳觀測時間、點位圖形、幾何強(qiáng)度因子(PDOP值)等內(nèi)容。衛(wèi)星預(yù)報表的有效期以20天為宜,當(dāng)超過20天時,應(yīng)重新采集一組新的概略星歷進(jìn)行預(yù)報。衛(wèi)星預(yù)報時應(yīng)采用測區(qū)中心的經(jīng)緯度。當(dāng)測區(qū)較大時,應(yīng)分區(qū)進(jìn)行衛(wèi)星預(yù)報。

2.優(yōu)化觀測環(huán)境。選站時應(yīng)盡可能使測站附近的小環(huán)境(地形,地貌,植被,天氣等)與周圍的大環(huán)境保持一致,以減少氣象元素的代表性誤差。盡可能把基準(zhǔn)站選在地勢較高的地方,以增大基準(zhǔn)站無線電有效的發(fā)射距離,方便播發(fā)差分改正信號。接收機(jī)周圍視場內(nèi)障礙物的高度角小于15°,盡可能避開障礙物的影響,以減少多路徑誤差。盡可能遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源,遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道,因為基準(zhǔn)站接收機(jī)一旦衛(wèi)星信號失鎖,將會直接影響網(wǎng)絡(luò)內(nèi)流動站的正常工作。

3.強(qiáng)化觀測手段。進(jìn)行RTK測量時,浮點解時會出現(xiàn)點位坐標(biāo)漂移誤差,即使是固定解,也難免有個別點超限,這時要考慮二次初始化。初始化可以采用靜態(tài)、OTF兩種。初始化時間的長短與距基準(zhǔn)站的距離有關(guān),距離越近,初始化越快。在距離一定時,增加相同點的觀測時間長度,不同時間段的測回數(shù),增加不同點的重復(fù)觀測數(shù),不同時間段的重復(fù)衛(wèi)星數(shù)。數(shù)據(jù)在后處理過程中,首先剔除粗差點,同一時間段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率宜小于10%

4.加強(qiáng)成果監(jiān)測與查驗。由于RTK技術(shù)目前正處于推廣應(yīng)用階段,外業(yè)工作應(yīng)加強(qiáng)對RTK成果的監(jiān)測與查驗。對RTK成果的外業(yè)檢查可以采用下列方法進(jìn)行:

(1)與已知點成果的比對檢驗;

(2)重測同一點的檢驗;

(3)已知基線長度測量檢驗;

(4)不同基準(zhǔn)站對同一測點的檢驗。

四、成果比較與精度分析

在寧安鐵路(南京至安慶)征地放線測量中,我們使用美國天寶Trimble 接收機(jī)兩臺,采用1+1的作業(yè)模式,對寧安鐵路馬鞍山段撥地定樁,工地校正時解算的殘差分量控制在3cm以內(nèi)。作業(yè)過程對每個點獨立觀測二次,二次觀測值較差均小于2cm。對已知點檢測,點位中誤差均小于1cm。在馬鞍山市政道路測量項目中,我們時常采用南方測繪儀器公司生產(chǎn)的靈銳S82型雙頻機(jī)進(jìn)行控制點三維坐標(biāo)測量,爾后又使用四等水準(zhǔn)方式測定各控制點的高程,通過兩種測量方法的比較,不難發(fā)現(xiàn),95%以上的控制點高程較差均小于5cm。

從網(wǎng)絡(luò)論壇、各類文獻(xiàn)及眾多測量應(yīng)用結(jié)果分析,GPS RTK技術(shù)的測量誤差分布均勻,相互獨立,不存在誤差積累,精度可靠度較高。通過采用二次初始化后的觀測值能夠有效地控制粗差出現(xiàn)的概率,另外,加大控制點的檢核力度,也能很好解決RTK成果的可靠性問題。

五、技巧提示

1.從RTK硬件設(shè)備特性和觀測精度、可靠性及可利用性綜合考慮,現(xiàn)階段RTK的觀測條件應(yīng)滿足下列基本要求:

觀測窗口狀態(tài) 衛(wèi)星數(shù) 衛(wèi)星高度角 PDOP值

良好窗口≥5 20°以上 ≤5

勉強(qiáng)可用的窗口 415°以上 ≤8

避免觀測的窗口 415°以上 ≥8

不能觀測的窗口≤3

為了削弱電離層延遲所引起的定位精度損失,在長基準(zhǔn)測量中使用雙頻接收機(jī),對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時電離層延遲改正,但對于單頻機(jī)而言,可以提高衛(wèi)星高度截止角,減少其不利影響。針對對流層延遲情況,多采用隨機(jī)過程模擬和濾波方法進(jìn)行參數(shù)估算及函數(shù)逼近方法改正。

2.構(gòu)造良好的GPS網(wǎng)型,最好以封閉式閉合環(huán)和子環(huán)路線為主,不要有開放式的網(wǎng)型結(jié)構(gòu),如果條件允許,應(yīng)優(yōu)先構(gòu)造連續(xù)三角網(wǎng)型,網(wǎng)型中間盡量均勻分布有平面和高程起算點。

3.基準(zhǔn)站的選擇必須要遠(yuǎn)離微波塔、通信塔等大型電磁發(fā)射源200米外,要遠(yuǎn)離高壓輸電線路、通信線路50米外。控制點的距離要小于RTK有效作業(yè)半徑的2/3倍。為方便對RTK測量成果進(jìn)行檢核,避免出現(xiàn)RTK輻射盲點,在測區(qū)工作環(huán)境不良地區(qū)應(yīng)適當(dāng)增加基準(zhǔn)站的站址。

4.由于流動站一般采用缺省2m高度的流動桿作業(yè),當(dāng)高度不同時,應(yīng)修正此值。在信號受影響的點位,為提高效率,可將接收移到開闊處或升高天線,吸引衛(wèi)星信號,待衛(wèi)星信號鎖定后,再小心無傾斜地移回到待定點或放低天線,一般可以初始化成功。

5.RTK作業(yè)盡量在天氣良好的狀況下作業(yè),盡量避免雷雨天氣。夜間作業(yè)精度一般優(yōu)于白天。