實時動態差分法(RTK)技術的應用與質量控制

侯世芳

（中國建筑材料工業地質勘查中心廣東總隊，廣東 廣州 511400）

1 RTK 技術

RTK（Real-TimeKinematic）技術始于 20 世紀90年代初,是基于載波相位觀測值基礎上的實時動態定位技術。RTK 技術的工作模式是在已知點上架設基準站,接受機借助電臺將其觀測值及坐標信息,發送給流動站接收機,流動站接收機通過電臺(數據鏈)接受來自基準站的數據,同時還要采集GPS 觀測數據,在系統內形成載波相位差分觀測方程,采用卡爾曼濾波技術,在運動中初始化求出整周模糊度,并進行實時處理,求得其三維坐標(X,Y,Z),精度可達厘米級。

由于RTK 實時動態測量具有實時、高效的特點,在許多領域都得到了廣泛的應用,但在測量成果的精度和可靠性方面,從其誕生之日起就充滿了爭議。RTK 技術的出現,幾乎完全改變了傳統地控制測量方法,然而RTK 的測量技術還存在一定的局限性,比如遮擋、強磁場干擾、太陽黑子及超遠距離等因素都對測量質量有一定的影響,甚至可導致無法測量。RTK 的關鍵技術是初始整周模糊度的快速解算,數據鏈傳輸的高可靠性和強抗干擾性。RTK 系統原理雖然很復雜,但從應用角度來講,還是相當簡單和方便的,只要有足夠數量的衛星且具有較好的幾何分布,并且基準站與移動站間的數據通訊良好,就可以進行測量。

2 RTK 技術在地質勘查區一級圖根控制點測量中應用

前一段時間,我們對某金屬礦地質勘查區布設了四等控制網,在此基礎上用GPS 快速靜態方法布設了13 個GPS 控制點,經觀測合格并采用南方GPS 數據處理軟件平差,然后采用RTK 雙次測量技術進行了復測。

(1)作業方法:在測區中部選擇四等控制點架設RTK 基準站及電臺等,并連續跟蹤所有可見衛星;RTK 移動站依次到各點測量。重要的是第二次測量時需重置整周模糊度,并把雙次測量數據的平均值作為成果。

(2)作業精度：平面10mm+2ppm;高程20mm+2ppm。

(3)作業要求:在觀測時段內應確保有5 顆以上衛星可供同步觀測;移動點與基準點距離應不超過10km。

(4)RTK 方法的優點是作業速度快、精度高。

3 RTK 技術在地質工程點測量中應用

3.1 作業方法:在測區中部選擇遠離各種強電磁干擾源、周圍應無明顯的大面積的信號反射物、視野開闊的相對制高點等觀測條件良好的控制點架設基準站,并連續跟蹤所有可見衛星;RTK 移動站依次到礦區鉆孔、探井、探槽、勘探線、地質點等地質工程點測量。

表1 RTK 測量的成果精度統計

3.2 作業要求：在觀測時段內應確保有5顆以上衛星可供同步觀測;移動點與基準點距離應不超過10km。

表1 中的Mp、Mh 和Mp+h 是指點位在平面、高程和空間位置的均方根(RMS)。以上精度統計中可以看出RTK 測量完全滿足一般地質工程點的測量精度要求。

4 RTK 坐標轉換

由于我國大多采用1980 國家坐標系、1954年北京坐標系或地方獨立坐標系等坐標系統。RTK 測量應進行坐標轉換。當要求高程精度較高時,轉換參數必須考慮高程要素。如果無法滿足高程精度要求,可對RTK 數據后處理,按高程擬合、大地水準面精化等方法求解高程值。

對于一定區域內的地質工程測量,我們往往利用以往的控制點成果求取“區域性”的轉換參數,以便適用于需要的坐標系統。其區域性,理論上消弱了變形影響,提高了轉換的可靠性。基準站的WGS84 坐標的獲得方法有2 種:

(1)使用已有的靜態數據,直接將控制點的WGS84 坐標和地方坐標輸入手簿直接求取;

(2)使用上點采集的方式獲取,此種方法是在無WGS84 成果的情況下使用。具體做法如下:基準站的WGS84 坐標直接從手簿中讀取,然后將移動站安置于控制點上采集WGS84 坐標,每次測量前總要先對測區進行點校正 (WGS84 地心坐標與所需坐標系間的轉換)。即測前應在測區邊沿選擇3 個分布均勻的控制點進行點校正,求解坐標轉換參數。測量時應以其它已知控制點作為檢核,當檢核精度滿足擬測量等級時,方可開始正常作業。將校正參數記錄在筆記本上,每次測量前應認真核對本參數,確保本測區參數的唯一性。

5 質量控制

在RTK 外業測量中主要的誤差是多路徑誤差,多路徑誤差對點位坐標的影響,在一般環境下可達5～9cm,在高反射環境下可達15cm;在高反射環境(城鎮、水體旁、沙灘、飛機、艦船等)下,碼信號受多徑誤差的影響,可導致接收機的相位失鎖;實踐證明,觀測值中的很多周跳都是由于多路徑誤差引起的。

接收機天線附近的水平面、垂直面和斜面都會使GPS 信號產生鏡反射。天線附近的地形地物,例如道路、樹木、建筑物、池塘、水溝、沙灘、山谷、山坡等都能構成鏡反射。因此,選擇GPS點位時應特別注意避開這些地形地物,采取提高天線高度和其他防止多路徑誤差的措施。

由于RTK 測量有時會出現點位坐標漂移誤差,當按設計要求進行RTK 作業時,在距離和測回數都按設計掌握時,仍有部分測點超限時,只有通過減小測距和增加測回數加以解決。

5.1 成果檢驗

應加強對RTK 成果的檢驗。對RTK 成果的外業檢查可以采用下列方法進行:與已知點成果的比對檢驗、對同一點的測量檢驗、已知基線長度測量檢驗、不同基準站對同一測點的檢驗。對測繪的地形圖采用常規作業方法檢查。

RTK 作業后,應認真總結作業方法,統計測量精度,做好測量報告的編寫工作,以便逐步完善RTK 作業方法。

5.2 如何判斷觀測質量

5.2.1 直接查看觀測手簿上的收斂值:目前大多數RTK 儀器都已采用OTF 方法計算整周模糊度,大大縮短了解算時間。因此,在無干擾的測區,儀器鎖定衛星在5 顆以上時,5s 內RTK 測量即獲得固定解,手簿顯示的收斂值一般在2cm以內。此時的收斂值真實地反映了天線中心測量的內符合精度。若RTK 測量60s 以上才得到固定解,此時的收斂值可能存在偽值。需要進一步確認。

5.2.2 已知點比較法:作為RTK 測量起算數據的高級控制網,一般用GPS 靜態獲得,具有很高的可靠性。為檢核坐標轉換參數、已知數據輸入及RTK 測量各種過程的正確性,可以通過將已知點納入到測量鏈中的方式進行檢查,這是一種十分有效的方法,可在任何情況下時使用。

5.2.3 重復測量判定觀測質量:少數測區存在一些干擾源,造成RTK 測量質量不正常。導致觀測成果出現較大誤差甚至有偽值現象。這種情況觀測時不易發現,可從手簿上反映出收斂很慢,求得固定解一般需要幾十秒甚至幾十分鐘才能完成,其收斂值一般在2～8cm 之間。這時手簿上顯示的收斂值可能不完全真實,有時測量誤差可能達到幾十厘米甚至幾米。當出現此種情況時,要慎重對待采集的數據,最好重置整周模糊度重復采集數據以檢核觀測質量,或用另一臺移動站重復采集數據來判定觀測質量。每次初始化成功后,或測量2～4h 左右應重合1～2 個已測過的RTK 點,以此來檢查基站設置的正確性和測量鏈過長后可能產生的點位坐標漂移誤差,這種方法可以在首站完成后的設站時使用。

5.2.4 成果整理時應注意以下2 點：①JOB文件必須建立在DISK 目錄下,以確保數據的安全；②測量結束后應對兩組成果進行比較,較差小于5cm 的取中數使用,大于5cm 的應返工重測。

6 結語

雖然RTK 技術已相當成熟,并被廣泛應用,但是由于地質勘探測量工作通常在山地、丘陵地區,使用RTK 進行測量時經常遇到衛星跟蹤受影響和數據通訊不穩定的問題。這種情況下,只能采用快速靜態測量與常規測量相結合,運用解析法或圖解法進行測量。與傳統的光學測量方法相比,GPS RTK 作業觀測速度較快,能夠提供精度為cm 級測量成果,可以滿足勘探測量的技術要求,非常適合于地質勘探工程中的測量,可以減少大量的工作強度,大大提高工作效率及成果質量,帶來更大的經濟效益。