實時動態載波相位差分技術淺析

姬旭東 (中原油田勘察設計研究院,河南 濮陽 457001)

實時動態載波相位差分技術淺析

姬旭東 (中原油田勘察設計研究院,河南 濮陽 457001)

實時動態載波相位差分技術(Real-time kinematic，RTK)是一種新的GPS測量方法。介紹了RTK技術的基本原理，詳細闡述了RTK技術的主要流程。

RTK技術;圖根控制測量網;基準站;流動站

全球衛星定位系統(GPS)的全面建成和發展,導致了導航和測繪行業的一場重大深刻的技術革命。常規的靜態GPS測量方法越來越多地應用于高精度控制網的建立，但利用該方法無法在野外對觀測數據進行實時檢核，從而造成觀測結果不合格而需要返工的情況，而利用實時動態載波相位差分技術(Real-time kinematic，RTK)可以改變上述狀況。RTK技術采用載波相位動態實時差分方法，可以實時監測待測點的數據觀測質量和基線解算結果，能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量結果，從而提高工作效率[1]。下面，筆者對RTK技術進行闡述。

1 RTK技術的基本原理

RTK系統由1個基準站、若干個流動站及無線電通訊系統組成?；鶞收景℅PS接收機、GPS天線、無線電通訊發射系統、供GPS接收機和無線電臺使用的電源及基準站控制器等部分。流動站包括GPS接收機、GPS天線、對中桿、無線電通訊接收系統、供GPS接收機和無線電使用的電源及流動站控制器等部分。在RTK作業模式下，在已知高等級點上(基準站)安置1臺接收機為參考站，對GPS衛星進行連續觀測，并將觀測數據和測站信息通過無線電傳輸設備實時地發送給流動站，流動站GPS接收機在接收GPS衛星信號和采集衛星數據的同時，通過無線接收設備接收來自基準站的數據鏈，并在系統內對采集和接收的2組數據進行載波相位差分處理，實時解算出流動站的三維坐標及其精度(即基準站和流動站坐標差ΔX、ΔY、ΔH，加上基準坐標得到的每個點的WGS-84坐標，通過坐標轉換參數得出流動站每個點的平面坐標X、Y和海拔高H[2])。因此，使用RTK技術的關鍵在于根據GPS的載波相位觀測量,并利用基準站和流動站之間觀測誤差的空間相關性,通過差分的方式除去流動站觀測數據中的大部分誤差,從而實現高精度(分米甚至厘米級)定位。

2 RTK技術的主要流程

2.1收集測區資料

收集測區資料時，采用Trimble R8 GNSS多通道、多頻帶且集接收機、天線和數傳電臺于一體的GNSS(Global Navigation Satellite System)系統，該系統收集的測區資料主要包括測區范圍、地貌特征，測區交通情況以及所能利用的控制點(包括坐標、高程、等級等)。

2.2確定測區轉換參數

對于RTK測量，要求實時得出待測點在實用坐標系(如1980西安坐標系、1954年北京坐標系或地方獨立坐標系等)中的坐標，即將GPS觀測的WGS-84坐標轉換為國家平面坐標(如北京54坐標)或者工程施工坐標。對于WGS-84到國家平面坐標(如北京54坐標)的轉換，可以采用高斯投影的方法，這時需要確定WGS84與國家平面坐標(如北京54坐標)2個大地測量基準之間的轉換參數(三參數或七參數)，同時定義三維空間直角坐標軸的偏移量和(或)旋轉角度并確定尺度差。但通常情況下，對于一定區域內的工程測量應用，一般利用以往的控制點成果求取“區域性”的地方轉換參數，可以分為以下幾種情況[3]：①采用已有的靜態數據，直接將控制點的WGS-84坐標和國家平面坐標(如北京54坐標)或者工程施工坐標輸入測量手簿，利用隨機軟件求解坐標轉換參數。②若測區只有足夠控制點的地方坐標，相對位置關系精確，但沒有WGS-84坐標。在上述情況下，可以利用RTK測量方法，以基準站為起算位置(該起算位置的坐標由GPS接收機觀測確定，是一個精度有限的大地坐標，但不影響RTK觀測的相對位置關系)，確定各控制點之間相對精確的位置關系，并實時測定WGS-84大地坐標。③當某些地方無合適的控制點坐標設置基準站時，可以采用基準站任意擺放的方式，即虛擬一個基準站，該基準站的WGS-84坐標直接從測量手簿讀取，然后通過流動站再到各個控制點上去采集WGS-84坐標。

2.3基準站的選擇及設置

1)基準站的選擇 GPS RTK定位的數據處理過程實際上是基準站和流動站之間的單基線處理過程，基準站和流動站的觀測數據質量和無線電的信號傳播質量的好壞對定位結果的影響很大。選擇的基準站位置應便于安置接收機，且視野開闊，尤其應注意的是要遠離大功率的無線電發射源，同時要考慮GPS電臺的發射功率和覆蓋范圍，以便獲得最大的數據通訊有效半徑。

2)基準站的設置 基準站的設置內容主要包括項目和坐標系統管理、基準站電臺頻率選擇、GPS RTK工作方式選擇，基準站坐標輸入、基準站工作啟動等，以上設置完成后，可以啟用基準站。

2.4外業數據采集

在進行外業數據采集前，應從基準站以外的已知控制點出發，利用流動站驗證已知坐標轉換參數及基準站設置的準確性，然后依次將已有控制點與加密控制點進行測量，每一個控制點最少要測量2次。特別注意的是應將接收機安裝在支架上來實測，以保證測量結果的穩定性。

2.5測量精度檢查

為了保證實測精度和可靠性，必須對已知控制點進行檢核，避免出現作業盲點。一般采用以下方法：①已知點檢核比較法。利用所測出已知控制點的坐標進行比較檢核，發現問題即采取措施改正。②重測比較法。每次初始化成功后，先重測1～2個已測過的高精度控制點，確認無誤后才進行RTK測量。相對而言已知點檢核比較法的檢核結果更加可靠，但由于控制點的數量有限，因而在沒有控制點的地方需要用重測比較法來檢核測量成果。

2.6內業數據處理

針對RTK測量數據，可以利用專業軟件(TGO軟件)處理接收機導入的測量數據(*.dc)，直接將坐標值以文件的形式存到電腦中，然后對輸出的各個控制點依據布設的位置進行編號，檢查無誤后，再進行輸出和打印，最終得到相關控制點的測量結果。

3 結 語

實時動態載波相位差分技術作為一種新的GPS測量方法，與傳統控制測量相比，其作業效率高、定位精度高、數據安全可靠、作業不受通視條件影響、單站測量控制范圍廣、操作簡單，能有效減少因地形復雜帶來的繁重工作量。但RTK技術也存在一些不足，如容易受GPS衛星狀況及周圍環境的限制、高程測量精度較低等。因此，今后應加強該技術的研究，使其功能進一步完善，從而更好地為工程放樣、地形測圖及各種控制測量服務。

[1]劉大杰,施一民,過靜一.全球定位系統(GPS)原理與數據處理[M].上海:同濟大學出版社,1996.

[2]周忠謨,易杰軍,周琪.GPS衛星測量原理與應用[M].北京:測繪出版社,1997.

[3]徐紹銓.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1998.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.024

P228.4

A

1673-1409(2012)09-N068-02

2012-06-10

姬旭東(1979-)，男，2002年大學畢業，工程師，現主要從事油田內外的長距離油氣管道和道路施工測量方面的研究工作。

[編輯] 李啟棟