工程測(cè)量GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法應(yīng)用分析

何超

摘要：文章首先對(duì)GPS RTK（Global Position System Real-Time Kinematic）技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，分析了RTK的系統(tǒng)組成、工作原理以及其技術(shù)特點(diǎn)，最后介紹了RTK的應(yīng)用及未來的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：GP SRTK；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位；工程測(cè)量

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）03-0039-02

1 概述

GPS測(cè)量早期是建立在載波相位差分技術(shù)基礎(chǔ)上的靜態(tài)基線測(cè)量。一般需要1～2h或更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)才可以獲得比較可靠的三維解向量。隨著各種相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，GPS測(cè)量技術(shù)也取得了一個(gè)新突破—RTK定位技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)是一種以載波相位觀測(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS技術(shù)，它可以實(shí)時(shí)快速地獲取流動(dòng)站點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)站的坐標(biāo)和精度指標(biāo)，已成為快速采集數(shù)據(jù)與定位的有效工具。

2 RTK定位技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 RTK系統(tǒng)組成及原理

常規(guī)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)主要是由一個(gè)基準(zhǔn)站、若干個(gè)流動(dòng)站和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)組成，只有建立了無線數(shù)據(jù)通訊才可以保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量順利進(jìn)行。

一般是選取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)所有可見的GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，再通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)將所觀測(cè)到的觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息直接傳送給流動(dòng)站，流動(dòng)站上的接收機(jī)不僅要通過無線電傳輸設(shè)備接收來自基準(zhǔn)站的信息，其自身也要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，再通過流動(dòng)站上的計(jì)算機(jī)根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和測(cè)量精度，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最終得到厘米級(jí)定位結(jié)果。這樣用戶就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量以及基線解算結(jié)果的收斂情況等，再根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的精度指標(biāo)確定觀測(cè)時(shí)間，從而提高工作效率。

2.2 RTK技術(shù)的特點(diǎn)

RTK定位有快速靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩種測(cè)量模式或者將兩種模式相結(jié)合。它的測(cè)量速度主要由初始化所需時(shí)間決定，而初始化所需時(shí)間則直接受到能接收衛(wèi)星的數(shù)量、質(zhì)量、接收機(jī)的性能、RTK數(shù)據(jù)鏈傳輸質(zhì)量等因素的影響，因此，增加在一定高度角下接收到的衛(wèi)星的數(shù)量、提高RTK數(shù)據(jù)鏈傳輸質(zhì)量等都可以縮短初始化所需的時(shí)間。

在GPS RTK作業(yè)過程中，硬件方面一般需要配置GPS接收機(jī)、一堆數(shù)據(jù)鏈以及電源設(shè)備等，軟件環(huán)境方面則需要有一個(gè)強(qiáng)有力的軟件系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在保證原有的各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及GPS RTK作業(yè)模式順利進(jìn)行的前提下，還要足以支持GPS RTK來完成實(shí)時(shí)提供流動(dòng)站相對(duì)于參考站的三維定位成果，并完成相應(yīng)的坐標(biāo)變換和投影計(jì)算的任務(wù)。而且這個(gè)系統(tǒng)軟件最好可以是開放的，可以與其他測(cè)量?jī)x器進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，以便用戶可隨時(shí)進(jìn)行版本升級(jí)。另外，在實(shí)際的作業(yè)過程中，地面測(cè)量時(shí)通訊的作用距離會(huì)受到發(fā)射臺(tái)與接收臺(tái)之間的地形與地物的影響，因此還需要配置調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)播，使數(shù)據(jù)通訊設(shè)備組成一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)。

3 RTK技術(shù)的應(yīng)用

RTK技術(shù)在能夠接受GPS衛(wèi)星信號(hào)的任何地方都可以進(jìn)行全天候的作業(yè)，因此和傳統(tǒng)測(cè)量相比，RTK測(cè)量受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響。因?yàn)镽TK測(cè)量自動(dòng)化、集成化程度較高，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可以進(jìn)行多種內(nèi)、外業(yè)測(cè)量工作，并且彌補(bǔ)了GPS測(cè)量不具備實(shí)時(shí)性的缺陷，放樣精度可達(dá)厘米級(jí)，流動(dòng)站在利用同一個(gè)基準(zhǔn)站信息時(shí)可各自獨(dú)立開展工作，實(shí)時(shí)提供測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，這樣現(xiàn)場(chǎng)可以及時(shí)對(duì)觀測(cè)質(zhì)量進(jìn)行檢查。

由于RTK技術(shù)在實(shí)際工作過程中不需要人工干預(yù)便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)繪功能，減少了輔助測(cè)量工作和人為誤差，保證了其作業(yè)精度，提高了作業(yè)效率，極大地拓展了GPS的使用空間，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位在采用快速靜態(tài)測(cè)量模式時(shí)，在15km范圍內(nèi)，其定位精度可達(dá)1～2cm，因此被廣泛地應(yīng)用于城市測(cè)量等測(cè)量領(lǐng)域。

3.1 城市控制測(cè)量

工程控制網(wǎng)是工程建設(shè)、管理和維護(hù)的基礎(chǔ)，其網(wǎng)型和精度要求與工程項(xiàng)目的性質(zhì)、規(guī)模密切相關(guān)。為了滿足城市測(cè)繪的需要，城市控制網(wǎng)往往具有精度高、控制面積大、使用頻繁等特點(diǎn)，城市中導(dǎo)線多數(shù)都是位于地面，然后今年來隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，這些點(diǎn)經(jīng)常被破壞，工程測(cè)量的進(jìn)度就受到了影響。

在城市的控制測(cè)量中，工作效率直接受到能不能快速精確地提供控制點(diǎn)的影響。例如導(dǎo)線測(cè)量這種常規(guī)控制測(cè)量，既要求點(diǎn)間通視，又浪費(fèi)工時(shí)，且精度不均勻。但采用GPS靜態(tài)測(cè)量時(shí)，雖然不要求點(diǎn)間通視，而且精度較高，但是需要事后才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，不能實(shí)時(shí)知道定位結(jié)果，這樣在比如內(nèi)業(yè)發(fā)現(xiàn)精度不符合要求的時(shí)候則必須返工。而應(yīng)用RTK技術(shù)則可以克服這兩個(gè)缺陷，不僅在作業(yè)精度，而且在作業(yè)效率上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

以某城市城區(qū)地籍測(cè)量工程中GPS RTK測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用為例，該城區(qū)既有工業(yè)區(qū)，又有居民生活區(qū)，建筑物密集，交通分布線路密集復(fù)雜，無線電信號(hào)復(fù)雜，而且街道兩旁很多樹木。本次需測(cè)量的宗地地塊遍布整個(gè)城區(qū)，權(quán)屬關(guān)系復(fù)雜，總測(cè)量面積約5km2，分布區(qū)域近17km2，因?yàn)樵摮菂^(qū)用地種類較多，與此同時(shí)，宗地?cái)?shù)目又多，而且權(quán)屬界址點(diǎn)數(shù)量較大，因此想采用常規(guī)測(cè)量手段進(jìn)行測(cè)量是十分困難的，想在短時(shí)間內(nèi)完成所有宗地的權(quán)屬界址點(diǎn)測(cè)量工作幾乎是不可能的。而采用RTK測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行充分的調(diào)研論證，并在通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證的基礎(chǔ)上全面實(shí)施，則可以獲得比較好的結(jié)果，從而滿足宗地權(quán)屬單位對(duì)地籍測(cè)量工作的要求。

3.2 線路測(cè)量

在市政道路、中線放樣中，RTK測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用也可以收到良好的效果。只要將線路起終點(diǎn)坐標(biāo)、半徑、曲線轉(zhuǎn)角這些線路參數(shù)等輸入RTK的外業(yè)控制器就可放樣。采用RTK技術(shù)進(jìn)行放樣時(shí)的標(biāo)定點(diǎn)位就是坐標(biāo)的直接標(biāo)定，不像常規(guī)放樣那樣，需要后視方向、用解析法標(biāo)定，因而采用RTK進(jìn)行放樣更簡(jiǎn)捷易行。而且采用RTK放樣的方法也是多種多樣的，例如可以按坐標(biāo)放樣或者也可以按樁號(hào)放樣，而且可以隨時(shí)互換。在放樣時(shí)，屏幕上由箭頭來指示偏移量以及偏移方位，便于前后左右移動(dòng)，直到誤差小于設(shè)定為止。

3.3 鐵路壓覆礦產(chǎn)調(diào)查中的測(cè)量

在壓覆礦產(chǎn)資源的調(diào)查工作中，需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查礦權(quán)與新建鐵路安全區(qū)位置關(guān)系，要想準(zhǔn)確地把工程項(xiàng)目所在地區(qū)的礦產(chǎn)資源分布和開采情況調(diào)查清楚，并在Auto CAD圖上準(zhǔn)確無誤地表現(xiàn)出這種關(guān)系，以便最終審查部門能夠很清楚地了解礦權(quán)與新建鐵路的壓覆關(guān)系。不僅需要與各國(guó)土局相關(guān)部門配合，GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用也非常關(guān)鍵。GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用，其精確度完全可以滿足壓覆礦產(chǎn)調(diào)查的精度要求，與此同時(shí)，GPS RTK導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，也能與Auto CAD進(jìn)行交互，方便成圖。

GPS RTK技術(shù)的應(yīng)用，在提高了調(diào)查精度的同時(shí)，也提高了壓覆調(diào)查的效率，為以后類似的工作的開展提供了一個(gè)嶄新的局面。

GPS RTK在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多方面，例如航測(cè)外業(yè)測(cè)量、勘測(cè)定界測(cè)量等，在此就不一一再作介紹。

4 RTK技術(shù)的發(fā)展前景

4.1 GPS現(xiàn)代化

美國(guó)針對(duì)GPS系統(tǒng)問題專門成立的GPS執(zhí)行委員會(huì)和GPS顧問委員會(huì)在1997～1998年間先后召開了四次國(guó)際會(huì)議來討論GPS的現(xiàn)代化問題，根據(jù)當(dāng)時(shí)的會(huì)議結(jié)論，美國(guó)在2010年前主要通過兩大改進(jìn)措施：其一是增加在軌衛(wèi)星的數(shù)目到30顆以實(shí)現(xiàn)RTK測(cè)量的真正全天候；其二是增加第三個(gè)民用頻道L3C發(fā)播不保密民用信號(hào)。

4.2 多空間資源共用

隨著俄羅斯“GLONASS”定位系統(tǒng)的完善和伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，空間資源的共用將更加明顯，RTK技術(shù)的使用范圍也將更廣、效率更高。

5 結(jié)語

RTK的某些優(yōu)點(diǎn)是常規(guī)測(cè)量方法所不能比擬的，因而RTK測(cè)量技術(shù)才風(fēng)靡全國(guó)，在測(cè)量界引發(fā)了一場(chǎng)技術(shù)革命。由RTK的應(yīng)用表明，RTK作業(yè)與各種GPS模式的結(jié)合，能進(jìn)一步提高成果的可靠性，它使得GPS定位技術(shù)擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。

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