GPS、RTK與普通測量關系的探討

張劍峰

（河北省地礦局測繪院，河北 廊坊 065000）

一、GPS工作原理

GPS（Global Positioning System）是由美國國防部開發的星基無線電導航系統，亦稱為GPS衛星全球定位系統，分空間部分（GPS星座）、地面控制部分（地面監控系統）和用戶設備部分（GPS接收機），使用民用的C/A碼和軍用的P（Y）碼；由距地表2萬多公里的24顆工作衛星組成，均勻分布在6個軌道面上，且每個軌道面有4顆，軌道傾角為55°。衛星工作時會不斷地發射用0和1二進制碼元組成的偽隨機碼導航電文，用戶接收到導航電文，提取衛星時鐘時間與自身時鐘時間的對碼量測計算出衛星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發射電文時所處的空間的三維坐標位置，用距離交會的方法求得該點三維坐標（X，Y，Z），從而得到用戶在WGS-84大地坐標系中的位置等信息。GPS實現了自動化、智能化，既有抗干擾性、保密性、安全性，又有全球性、全天候、連續性、實時性的精密三維導航與定位能力。

二、RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）實時動態差分法，是GPS技術的發展，其基本形式是一臺基準站接收機和多臺流動站接收機（含1臺）以及用于數據傳輸的電臺；它采用了載波相位動態實時差分方法，能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法。原理是將基準站的坐標、高程、坐標系轉換參數、水準面擬合參數等數據輸入GPS控制手簿，流動站接收機在若干個待測點上設置，可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；基準站與流動站保持同時跟蹤至少4顆以上的衛星，不斷地對可見衛星進行觀測并接收衛星信號；基準站接收機通過發射電臺把其所接收的載波相位差分改正信號發射出去，流動站接收機將接收到的衛星信號和基準站的電臺信號傳輸到GPS控制手簿，經過固化軟件對接收到的兩種基本信號進行實時差分計算與平差處理，精確地計算出基準站與流動站的空間相對位置，實時得出本站厘米級定位結果的坐標和高程。

三、GPS、RTK技術在測量中的優先性對比

高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。以前的測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，RTK的出現為大地測圖、電子線路控制測量、水利工程控制測量及各種控制測量、工程放樣等方面帶來了新發展，極大地提高了外業作業效率，可以在現場提供經過檢驗的測量成果，能夠在滿足精度的前提下，減輕內業處理的量和外業返工率，是GPS應用的標志性里程碑。

利用RTK進行控制測量不受天氣、地形、通視等條件的限制，要盡量避開高壓線、高大建筑物及高密樹林等因素對RTK測量的影響，實在無法回避的地方，采用增加觀測時間、增加觀測次數的方法以提高觀測精度。其操作簡便、機動性強，工作效率比傳統方法提高數倍，大大節省人力，不僅能夠達到一級導線測量的精度要求，而且誤差分布均勻，不存在誤差積累問題。但為了得到高精度的測量數據，查看解算后每個控制點的水平殘差和垂直殘差，必須求出適合于本地區的坐標系統轉換參數和水準面模型轉換參數。

空間相對位置關系轉換到實際坐標系中，由于受大氣中電離層、對流層的影響，高程在精度上稍差些，應采取平面與高程分開轉換的方法：

1.平面坐標轉換，將RTK的坐標成果投影成平面坐標，再用已知控制點通過程序計算二維相似變換的四參數即得。

2.高程則利用已知水準點計算出該測區待測點的高程異常，采用平面擬合或二次曲面擬合求出他們的高程；也可利用區域地球重力場模型使GPS大地高為水準高。

傳統的地形測量、地籍及工程控制測量等采用三角網、導線網方法進行施測，主要是用幾何法和解析法等數學算法，這樣不僅費時費力，而且在外作業不能確定精度，可能造成精度分布不均勻。若采用常規的GPS測量，在外業測量過程中不能實時知道定位精度，需回到內業處理，若精度不合要求，必須返測。而采用RTK來進行測量，能夠實時知道定位精度，達到測圖技術要求。用普通方法測圖，首先要做圖根控制點，須兩兩相互通視，然后在其上架好儀器，配備3名人員進行測量；采用RTK時，只需一人進行測圖即可，而且兩點間不需要能通視，很大程度提高了外業的工作效率。在應用工程方面，比如施工放樣，用普通方法需兩個能通視的已知點及兩名人員前后左右移動目標，直到放出一個合格的點位時止；采用RTK放樣時，只需把已知的點位坐標輸入到電子手簿中，按照它提醒放樣點的位置走到那里即可，既迅速又方便，且精度很高，放樣效率會大大提高。比如公路管線地形圖的測設時，可以結合管線探測儀和RTK技術，利用現代科技方法準確快速完成測圖。

四、GPS、RTK技術發展展望

隨著RTK技術的發展，現在部分儀器標定誤差為平面1cm+1ppm，在處理技術和數據傳輸技術方面，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據（偽距、相位觀測值）和已知數據傳輸給流動站接收機，一般采用9600的波特率通過無線電傳輸數據。隨著科學技術的不斷發展，VRS（Virtual Reference Station）虛擬參考站，這種技術不需要基準站，半徑50公里左右范圍平面精度達到1-2cm左右，初始化的時間（OTF）減少，提高了可靠性。RTK技術由傳統的1+1或1+2發展到了廣域差分系統WADGPS，一些城市建立起CORS系統，大大提高了RTK的測量范圍；在數據傳輸方面也有了更快的進展，由原來的電臺傳輸發展到現在的GPRS和GSM網絡傳輸，大大提高了數據的傳輸效率和范圍。

在我國部分廠商己生產出雙星定位導航系統，可同時接收近20顆左右的衛星，定位精度達到厘米級。GPS技術結合計算機系統、通信系統、地理信息系統等技術跨躍式的發展，會應用到我們生活中的每個角落，提高工作質量，豐富物質文化生活。