GPS-RTK測量精度的分析與質量控制

趙 萌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 GPS-RTK現狀

1.1 GPS-RTK測量基本原理

RTK(Real-Time Kinematic)定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，能夠實時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。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還需采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，計算出厘米級定位結果。RTK技術是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業作業效率。

1.2 GPS-RTK測量精度

平面精度:10 mm+2×10－6D;高程精度:20 mm+2×10－6D。

流動站至參考站點間精度用式(1)表示

式中 σ——標準差/mm;

a——固定誤差/mm;

b——比例誤差系數/(mm/km);

d——流動站至參考站距離/km。

1.3 GPS-RTK測量范圍

GPS-RTK測量范圍根據數據鏈的傳播限制和定位精度要求確定，但GPS-RTK測量距離一般不宜超過10 km。根據測區的具體情況，可設置不同的發射天線高度和架設中繼站增長傳播距離。

數據傳輸距離和測站天線高度理論關系為

式中 D——數據鏈覆蓋范圍半徑/km;

h1——基準站天線高/m;

h2——流動站電臺天線高/m。

1.4 GPS-RTK在鐵路勘測中的應用

GPS-RTK以其較高的測量效率和良好的測量精度，在鐵路勘測中廣泛應用，并且所占比例日漸加大，主要應用于鐵路中線測量、橫斷面測量、地形碎部點測量及地質鉆探孔位測設等。

2 影響GPS-RTK在鐵路測量精度的因素

近年來，GPS-RTK測量技術在鐵路勘測中得到普遍應用，尤其在鐵路初定測項目中的地形圖核補、控制工點測量、橫斷面測量、中線測量等工序中成為主要勘測手段，在作業過程中，影響RTK測量質量的情況仍時有發生，主要體現在以下幾個方面。

2.1 坐標參數轉換

在進行 RTK測量時，首先需要輸入控制點的WGS一84坐標和地方坐標系坐標，以此來求解轉換參數，據此得到轉換后的地方坐標。這期間待測點坐標的精度存在著坐標轉換的損失。經驗表明，這種損失一般在1 cm左右，與控制點的精度和分布有關?？刂泣c的選擇是否恰當，會直接影響轉換參數的求解，進而引起RTK測量成果的精度。值得關注的是，坐標轉換參數是GPS-RTK測量的關鍵，稍有不慎，將會給整個工程帶來返工，甚至造成不可挽回的損失。

2.2 測量的地域性

在山區、林地或房區等衛星信號不佳或無線電信號不好時進行GPS-RTK測量時會影響其測量精度。

對2010年本院承擔的23個勘測項目進行統計分析，結果表明:GPS-RTK測量的平面精度在0.05m范圍內的占78.4%，高程精度在限差0.05m范圍內的占95.5%。

在實際勘測中都是按照10%的比例進行質量檢查，因此，計算RTK測量正確率公式為

式中 β——測量數據正確率;

γ——質量檢查正確率。

對GPS-RTK測量精度大于0.1m(2倍精度限差)的數據進行統計分析，共有6個項目，詳見表1。

以上6個項目均位于內蒙古或山西山區，地形復雜，高差變化大，干擾衛星信號的因素多。以上分析說明，地形復雜等因素對GPS-RTK測量的正確率有一定影響。

2.3 對中桿誤差

當天線高r=2m時，對中桿不同偏斜程度引起的測量誤差如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著對中桿傾斜角度的增加，平面坐標偏差和高程坐標偏差均越來越大。而平面坐標偏差對桿的傾斜比較敏感，當桿傾斜0.3°時，平面偏差就高達10.5 mm，此時，對中桿的傾斜導致的測量誤差和RTK的平面標稱精度相當，導致測量結果不可靠。

表1 測量精度大于0.1m的項目統計分析

圖1 對中桿偏斜引起測量誤差

3 提高RTK測量精度的措施

3.1 轉換參數的合理求解

坐標轉換參數是GPS-RTK測量的關鍵且與控制點的精度和分布有關，因此在轉換參數求解時，盡量用高等級的控制點作為轉換控制點，一般來講，平面控制點至少3個，高程控制點至少4個，分布應該盡量均勻，能夠涵蓋整個測區，一般相鄰控制點之間距離應為3～5 km，以確保擬合精度要求。

參數轉換時，控制點之間應具備相互位置關系精確的WGS84大地坐標和地方坐標，以確保轉換關系的正確性，且要求控制點必須在統一的平差網內。

轉換參數求解后，必須進行檢核?？梢栽谵D換控制點和其他控制點上用RTK方式測點，一方面檢核轉換參數，另一方面也檢核原控制點精度，并將精度高、分布均勻的控制點再作為轉換控制點，重新求解轉換參數。經多次比較后，確定最佳的轉換參數。

3.2 作業過程規范化

(1)規范儀器操作

《高速鐵路工程測量規范》(TB10601—2009)、《鐵路工程測量規范》(TB10101—2009)、《改建鐵路工程測量規范》(TB10105—2009)、《鐵路工程衛星定位測量規范》(TB10054—2010)中都有對RTK測量技術、GPSRTK儀器操作有很詳細說明和要求，見表2、表3。

表2 GPS-RTK測量精度

表3 GPS-RTK測量具體技術質量要求

GPS-RTK測量時觀測衛星強度要高，在進行坐標解算時，所采用的衛星數越多，分布越均勻，則PDOP值越小，RTK的精確性和可靠性越高，且初始化的時間越短。一般情況下，在接收衛星數保持5顆以上，且PDOP＜6時，才能進行RTK測量。

作業時，接收機的對中、整平，天線高的量取，以及輸入已知點坐標、坐標轉換參數等都必須規范化操作，防止粗差的產生。

(2)觀測成果要注意復核

為了保證RTK的實測精度及可靠性，作業中必須注重成果的復核。成果的復核分為作業前復核、作業中復核和作業后復核。作業前復核是指在RTK作業前，先在已知點上檢測，新測坐標與已知坐標較差符合要求后，才能進行RTK測量;作業中復核一般是指在作業中采用不同起算點測定部分重合點，或在同一點上采用兩次觀測法觀測。作業后復核是指將RTK所測成果和既有的資料進行比對，有出入的地方要進行分析，剔除粗差。圖2為在既有地形圖上檢核RTK測量成果。

圖2 地形圖上檢核RTK測量成果

3.3 加強儀器的檢校

(1)RTK接收機的檢測

一般需要權威部門進行RTK接收機主要性能的檢測，超出檢定證書規定的時間之外的儀器嚴禁外業使用。

(2)實地性能測試

長時間沒有使用的儀器在使用前一定要實地檢測，主要包括硬件測試和軟件測試，比如電池性能、采集器的反應情況等。還要進行基線檢查，確保接收機符合標稱精度要求。

(3)各種氣泡的校正

這一點往往容易被忽略，其實是很重要的一個檢查，測量時必須保證氣泡水平時是鉛直，才能有效提高測量精度。

4 結束語

分析研究了影響GPS-RTK測量精度的因素，通過實例統計了GPS-RTK測量的實踐精度，介紹了一系列保證和提高測量精度的措施。GPS-RTK測量技術給現代鐵路測量帶來了重大的技術手段變革，極大地方便了測量工作，隨著其技術的不斷進步，必將給鐵路測量帶來更大的便利。

［1］TB 10101—2009 鐵路工程測量規范［S］

［2］TB 10054—2010 鐵路工程衛星定位測量規范［S］

［3］徐紹銓，張華海，楊志強，等．GPS測量原理及應用［M］．武漢:武漢大學出版社，2001

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