GPS RTK測(cè)量誤差分析

【摘要】本文主要簡(jiǎn)述了GPS RTK的工作原理，誤差源及誤差分析，為提高RTK測(cè)量精度提供一些建議。

【關(guān)鍵字】 RTK 測(cè)量誤差

1.前言

隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)快速高精度位置信息的需求也日益強(qiáng)烈。常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（Real - time kinematic）方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

2.RTK的工作原理

RTK的工作原理是將一臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)置于載體（稱為流動(dòng)站）上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個(gè)改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)及時(shí)傳遞給共視衛(wèi)星的流動(dòng)站精化其GPS觀測(cè)值，從而得到經(jīng)差分改正后流動(dòng)站較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)位置，如圖1所示。

圖1 RTK系統(tǒng)示意圖

差分的數(shù)據(jù)類型有偽距差分、坐標(biāo)差分（位置差分）和載波相位差分三類。前兩類定位誤差的相關(guān)性，會(huì)隨基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的空間距離的增加而迅速降低，由于載波相位的測(cè)量精度比偽距測(cè)量精度高2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且載波相位測(cè)量受多路徑效應(yīng)的影響比偽距測(cè)量小2個(gè)數(shù)量級(jí)，如果能獲得整周模糊度，就可以獲得近于無噪聲的偽距測(cè)量。一般情況下，無法獲得整周模糊度，但能獲得多普勒計(jì)數(shù)或載波相位變化信息。因此若能夠利用載波相位變化信息來輔助偽距測(cè)量就可以獲得比單獨(dú)采用偽距測(cè)量更高的精度，這一思想稱為載波相位平滑偽距測(cè)，目的是提高偽距觀測(cè)值的精度。

RTK采用載波相位差分法，其觀測(cè)模型為：

3.RTK誤差源

分析觀測(cè)模型并結(jié)合實(shí)踐，總結(jié)出影響RTK精度的主要誤差源：

1.軌道誤差

目前，隨著定軌技術(shù)的不斷完善，軌道誤差只有5-10cm，影響到基線的相對(duì)誤差不到1ppm。

2.衛(wèi)星鐘差

目前鐘差可通過對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)而精確地確定，鐘差對(duì)傳播距離的影響不會(huì)超過6m，影響基線的相對(duì)誤差約0.2 ppm。

3.電離層誤差

電離層引起電磁波傳播延遲從而產(chǎn)生誤差，其延遲強(qiáng)度與電離層的電子密度密切相關(guān)，電離層的電子密度隨太陽(yáng)黑子活動(dòng)狀況、地理位置、季節(jié)變化、晝夜不同而變化，白天為夜間的5倍，冬季為夏季的5倍，太陽(yáng)黑子活動(dòng)最強(qiáng)時(shí)為最弱時(shí)的5倍，在太陽(yáng)黑子爆發(fā)期內(nèi)，RTK測(cè)量無法進(jìn)行。

4.對(duì)流層誤差

對(duì)流層誤差同點(diǎn)間距離和點(diǎn)間高差密切相關(guān)，高度角90°時(shí)可使電磁波的傳播路徑差達(dá)2-3mm ，當(dāng)高度角為10°時(shí)高達(dá)20m左右。

5.多路徑誤差

多路徑誤差是RTK定位測(cè)量中最嚴(yán)重的誤差。多路徑誤差取決于天線周圍的環(huán)境。多路徑誤差一般為幾個(gè)厘米，高反射環(huán)境下可超過10cm。

6.信號(hào)干擾

信號(hào)干擾可能有多種原因，如無線電發(fā)射源、雷達(dá)裝置、高壓線等，干擾的強(qiáng)度取決于頻率、發(fā)射臺(tái)功率和至干擾源的距離。

4.RTK誤差分析

以上各類誤差中均具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，從而定位結(jié)果也有一定的空間相關(guān)性。RTK測(cè)量的主要誤差來源于衛(wèi)星軌道誤差，電離層及對(duì)流層對(duì)定位精度的影響。

對(duì)于小于10km的短基線測(cè)量，軌道誤差，衛(wèi)星誤差的影響可以忽略不計(jì)，對(duì)于大于20-30km的長(zhǎng)基線測(cè)量，軌道誤差可以達(dá)到2-3cm。

對(duì)于電離層誤差，利用雙頻接收機(jī)將L1 和L2 的觀測(cè)值進(jìn)行線性組合來消除電離層的影響；利用兩個(gè)以上觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差（短基線）；利用電離層模型加以改正，一般RTK設(shè)備已考慮此種方法。

對(duì)于對(duì)流層誤差可以設(shè)置衛(wèi)星高度截止角不得小于15°且利用兩個(gè)以上觀測(cè)站同步觀測(cè)量求差（短基線）以及利用對(duì)流層模型加以改正。

對(duì)于多路徑誤差可以采取選擇地形開闊、不具反射面的點(diǎn)位；采用扼流圈天線或具有削弱多徑誤差的各種技術(shù)的天線以及基地站附近鋪設(shè)吸收電波的材料等方法修正。

最后，對(duì)于信號(hào)干擾誤差，在選點(diǎn)時(shí)必須遠(yuǎn)離這些干擾源，離無線電發(fā)射臺(tái)應(yīng)超過200m，離高壓線應(yīng)超過50m才可以有效削減誤差。

5.結(jié)語(yǔ)

本文介紹了提高GPS RTK觀測(cè)精度的一些方法，希望本文能對(duì)大家在以后的使用GPS RTK過程中起到參考作用。

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