RTK在城市工程測量中的應用研究

摘 要：本文基于筆者多年從事城市工程測量的相關工作經驗，以廣州城市工程測量任務為工程背景，探討了基于RTK工程測量與精度分析評價方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：CORS系統 RTK作業 質量控制 精度分析

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0060-02

目前，實時動態測量技術（RealTime Kinematic，簡稱RTK）以其實時、高效、不受通視條件限制等優點，已廣泛應用于工程控制測量、像片控制測量、施工放樣測量及地形碎部測量等諸多方面，倍受用戶青睞。但是，相對于GPS靜態測量，RTK的實時性也給測量人員提出了更高的要求。因為RTK測量缺少必要的檢核條件，作業時如果操作失誤或某些技術問題處理不當，都將會給測量成果帶來嚴重影響。因此，及時了解RTK的技術特點及提高RTK測量成果精度的關鍵技術，對RTK測量將大有裨益。

1 RTK的原理

RTK是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的厘米級精度的三維定位結果。RTK測量系統通常由3部分組成，即GPS信號接收部分（GPS接收機及天線）、實時數據傳輸部分（數據鏈，俗稱電臺）和實時數據處理部分（GPS控制器及其隨機實時數據處理軟件）。

RTK測量是根據GPS的相對定位理論，將一臺接收機設置在已知點上（基準站）；另一臺或幾臺接收機放在待測點上（移動站），同步采集相同衛星的信號。基準站在接收GPS信號并進行載波相位測量的同時，通過數據鏈將其觀測值、衛星跟蹤狀態和測站坐標信息一起傳送給移動站；移動站通過數據鏈接收來自基準站的數據，然后利用GPS控制器內置的隨機實時數據處理軟件與本機采集的GPS觀測數據組成差分觀測值進行實時處理，實時給出待測點的坐標、高程及實測精度，并將實測精度與預設精度指標進行比較，一旦實測精度符合要求，手簿將提示測量人員記錄該點的三維坐標及其精度。作業時，移動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在已知點上先進行初始化后再進行動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持4顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則移動站可隨時給出待測點的厘米級的三維坐標。

2 RTK的特點

2.1 RTK的誤差

RTK測量的誤差同GPS靜態定位的誤差類似，一般可分為兩類，即同測站有關的誤差和同距離有關的誤差。

同測站有關的誤差包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號干擾和氣象因素影響等。其中多徑誤差是RTK定位測量中最嚴重的誤差。多徑誤差主要取決于GPS接收機天線周圍的環境，若天線周圍有高大建筑物或大面積水面時，將對電磁波有強反射作用。即天線接收的信號不但有直接從衛星發射的信號，還有從反射體反射的電磁波，這兩種信號疊加作為觀測量，將對定位產生誤差。通常情況下，多徑誤差為1～5 cm，高反射環境下可達10 cm以上，且多徑誤差的大小常以5～20 min的周期性變化，這對RTK測量將產生嚴重影響。

同距離有關的誤差包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。目前軌道誤差只有幾米，其殘余的相對誤差約為1×10-6D，對長度小于10 km的基線而言，其影響可忽略不計。電離層誤差同太陽黑子活動密切相關，一般情況下，其影響小于5×10-6D，而當太陽黑子爆發時，影響值可達50×10-6D。對流層誤差同點間距離和高差有關，一般影響在3×10-6D以內。

對于同測站有關的誤差可通過各種校正方法和有效措施予以削弱，而同距離有關的誤差將隨移動站至基準站的距離增大而加大。因此，在進行RTK測量時，除采取有效措施削弱測量誤差外，還要對作業半徑加以限制。

2.2 整周模糊值

研究表明，確定整周模糊值（即初始化）的時間和可靠性，是RTK系統能否實時、準確定位的關鍵。

在正常條件下，地面兩點間距離較短時，系統能夠模擬電離層和對流層的影響，其殘余影響也可通過對觀測值的差分處理予以消除或減弱。但電離層的電子含量會隨時空發生劇烈變化，衛星信號到達基準站和移動站將有不同的影響，且基線越長，影響越大，當電離層劇烈活動時，將導致周跳或失鎖，即使是短基線也需要大大延長觀測時間才能固定整周模糊值，嚴重時（如太陽黑子爆發時）甚至根本不能固定整周模糊值。

實踐證明，確定整周模糊值的時間和可靠性取決于4個因素，即接收機類型（單頻或雙頻）、所觀測衛星的個數、移動站至基準站的距離及RTK軟件質量。一般地，雙頻RTK初始化的時間比單頻RTK要短，而且同距離的關系不大；解算時采用的星數越多，RTK的精確性和可靠性越好；移動站至基準站的距離越近，其初始化的時間也越短。

2.3 數據鏈

RTK測量時，移動站需要實時地接收基準站播發的差分信號（觀測值及相關數據），才能求定待定點的位置。因此，能否連續地、可靠地接收基準站播放的信號，是RTK能否成功的決定因素，也是制約RTK測程的關鍵因素。

目前，RTK系統的數據傳輸多采用超高頻（UHF）、甚高頻（VHF）和高頻（HF）播發差分信號。在測繪領域的RTK應用中，無論單頻或雙頻RTK系統，當前國際上都采用UHF電臺播發差分信號，其頻率大約為450～470 MHz，波長約60 cm左右。根據電磁波理論，它的傳輸屬于一種視距傳輸（準光學通視），其最大的傳輸距離是由接收天線的高度、地球曲率半徑以及大氣折射等因素決定的。因此，在沙漠、戈壁、平原、海域等地區，其RTK定位的效果比較好；而在城區、山地、森林等地區進行RTK測量時，其成果質量及作業效率將受到一定影響，甚至無法進行作業。

2.4 坐標系統

RTK與GPS靜態測量一樣，GPS接收機接收的衛星信號經數據處理后，首先得到的是地心坐標系（WGS84）坐標，而在測繪工程中應用的通常是地方坐標系的平面直角坐標（1990年西安坐標系、1964年北京坐標系或地方獨立坐標系等），其高程一般為正常高。因此，為了把MGS84坐標系坐標轉換為地方坐標系坐標，作業前首先要根據坐標轉換關系式求解兩種坐標系間的轉換參數。

3 RTK工程測量成果

3.1 工程概況

測區位于廣州市市某開發區，地勢總體呈現南高北低、東高西低。標高450～850 m左右，最大相對高差350 m。中部地區為平原，由南向北傾斜。標高750～810 m，相對高差僅70～80 m，坡降2.5‰～3.0‰，地勢較平坦。

3.2 測量實施

在本次工程測量中，使用中海達公司生產的9900E動態GPS接收機共施了工程點86個。為了檢驗RTK工程點的實際所能達到的精度，RTK測量結束后，應用電子全站儀對部分相互通視工程點間的相對關系進行了實地檢查，對平面和高程分別進行了三個測回觀測。根據檢測數據與RTK測量數據的較差和中誤差計算公式±[dd]/2n，可算得相鄰工程點間的邊長中誤差，高差中誤差。在多方向測站，重新推算其他相鄰點的坐標和高程，根據檢測數據與RTK測量數據的較差，可算得工程點相對于相鄰點點位中誤差和高差中誤差與地形測量中地物點點位中誤差，以及相對于相鄰點點位中誤差之間的關系。可以推導出RTK工程點點位中誤差和相鄰點位中物差基本相等，因此可以推算工程點點位中誤差、高程中誤差。經檢查，RTK實測精度完全可以達到預設精度指標。

3.3 平面、高程系統

坐標系統平面采用1954年北京坐標，高斯3°帶投影，帶號為39，中央子午線為東經117°，高程系采用1985年黃海高程基準。

3.4 勘查工程點測量的技術指標

勘查工程點測量的技術指標見表1。

3.5 布設與定測

使用中海達公司生產的9900E動態GPS，作業前對接收機進行了下列檢驗。

（1）一般檢視；（2）通電檢驗；（3）試測檢驗。

在觀測前基準站接收機必須嚴格整平對中，檢查接收機是否在工作狀態。儀器天線高從三個方位測量三次取平均值，對于基準站的設置必須檢察無誤后開始進行點位校正，校正后確認無誤，開始按設計坐標布設勘探點。鉆孔定測必須對中孔口標石，儀器嚴格對中整平，方可采集鉆孔坐標。

工程測量成果見表2。

野外實際已知點檢核值為：△X<5 cm、△Y<5 cm、△H<5 cm。均附合有關執行標準，采集數據可靠，可供本次勘探使用。

參考文獻

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