GPS—RTK在線狀建設用地測量中的應用研究

李金亮++王蘇云++牛紅艷++肖元東

摘 要：GPS-RTK也即所謂的高精度全球定位系統，其采用實時差分解算，可得到實時厘米級的測量精度。GPS-RTK在現狀建設用地測量中獲得了越來越廣泛的應用，但使用過程中也需要進行誤差控制與正確模式的選擇。在這種背景下，本文在對相關理念進行概述的基礎上，分析了對流層延遲模式誤差、電離層延遲模式的評估及數值密度模型的建立等方面的內容，并給出了相應的結論。

關鍵詞：GPS-RTK 線狀 建設用地 測量 應用

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0053-01

1 全球定位系統及其在線狀建設用地的應用概述

高精度全球定位系統（GPS-RTK），近十年來在世界各地被廣泛研究，并應用于各種不同的領域，如水平變形偵測、水平控制點測量、國家級三角網控制及補強等。高精度GPS測量所得的結果是三度空間的坐標，一般而言，水平向精度約3倍于普通垂直測量精度。

在線狀建設工程的選址中，應充分利用區域內空閑地、閑置宅基地等存量建設用地。因此，借助于土地的勘測定界工作（用GPS衛星定位），最后可以形成現場勘查報告，從而提升線狀地物區域的土地使用效率。

2 應用過程中的對流層延遲模式誤差分析

2.1 誤差

高精度GPS衛星信號自兩萬公里高空經大氣層傳給至地表。GPS信號經過對流層由折射效應會產生延遲。而對流層的折射誤差影響著高精度GPS所選取的最低仰角，具有放大作用，也即影響高精度GPS的不僅是對流層折射誤差，而且還有觀測最低角度的放大效應。具體來看，包括如下內容：一是氣壓誤差對高精度GPS高程的影響。氣壓誤差影響高精度GPS高程情形，在不同裁角時有不同的影響率，且氣壓誤差對高程影響，不受溫度及相對濕度的影響。二是相對濕度誤差對高精度GPS高程的影響。相對濕度誤差對高精度GPS高程的影響，與壓力、相對濕度的值多少無關，僅與溫度值、相對濕度誤差量與計算時的裁角有關，隨著濕度值增加而放大了相對濕度誤差對高精度GPS高程的影響率。三是溫度誤差對高精度GPS高程的影響。溫度誤差所產生的高精度GPS高程誤差量，不僅隨溫度誤差增加而呈非線性增加，且還隨濕度增加而呈正比放大，更隨溫度增加策劃呈現出非線性的放大。因此，以回歸方式求得高程誤差可用裁角、溫度、濕度及溫度誤差的函數加以表示。

2.2 氣象誤差造成高精度GPS高程偏差的改進方法

為解決以上所述各種氣象誤差所造成的高精度GPS高程偏差情形，可采用對流層附加參數法，即在處理對流層偏差時，根據模擬狀況，每站給予附加參數，以吸收殘留的對流層偏差。在具體的應用中，為了探討每一測站的附加參數多少，及其與高精度GPS高程精度提升的關系。應在每站每天（24 h）分別附加1、2、3、4、6、8、12及24個對流層天頂向殘差附加參數，計算每天各測站的高程，比較附加參數多少與提升GPS高程精度的關聯。因此，建議在處理24 h資料時，應考慮3個附加參數，也即每8個小時添加一個附加參數。參數越多在理論上越能吸收殘差，但參數過多時，因弱化了法方程式的求逆解，也對未知數的求解不利。

3 應用中的電離層延遲模式的評估及數值密度模型的建立

3.1 電離層延遲模式的評估

由于線狀地物區域所含電子量變化很大，因此，對于無線電信號的傳送會造成不穩定的影響，一般認為此效應會造成約1米左右的定位誤差。因而有必要特別針對該誤差加以探討，并建立適當的修正模式，提供單頻接收儀使用者使用，而這也可提高其可靠度及可用性。目前各界對電離層延遲所產生的誤差研究而言，認為可利用雙頻接受儀所接收的LI、L2或Pl、P2的組合，即可將該效應排除。然而，這是使用雙頻接收儀始可采用的方法，對于單頻接收義的使用者而言，目前只能采用衛星廣播中所提供的修正模式改善，這一模式為全球性的修正模式，其改正的有效性使約60%。因此，可以以現有的修正模式為基礎，運用統計學中構建模式的方法，配合時間序列（Time Series）的觀念，建立起適合線狀地物區域性電離層延遲效應修正模式。

3.2 線性地物區域數值密度模型的建立

在物理大地測量中，必須要有大地水平面（Geoid）上的重力值，才能和橢圓體（ellipsoid）上對應點的正常重力值做比較，以精確決定大地水平面，進而開展重力值的內插、外插及地殼調查。因此，將地表點位所測得的重力值進行重力歸算（Gravity Reduction）是必要的。要進行重力歸算，需要用地表的密度。但由于精確的密度值，需要知道地層構造的詳細狀況，十分不易得到，故常視地層密度為均勻，以2.67 g/cm3常數代入計算。建立數值密度模型，目的在探討應用地質圖的信息，提供密度值化算，最終應用于重力計算。數值密度模型與數值地形、數值高程模型相仿，一方面對原始的地圖資料采用數值形式，增加計算使用的方便性，并且可改善由于傳統類比圖圖紙的伸縮變形所造成的日后使用時所產生的誤差；再者，因結果為數值形式，對于資料的修正、管理與保存，都相當方便。

4 研究發現

一是在高溫及高濕是下，氣象誤差對高精度GPS高程影響較大，故進行高精度GPS觀測時，宜選擇較有利的大氣情況下進行，如在晴朗的夜間觀測，不僅因大氣容易模式化，且可降低大氣誤差所產生的放大效應，提高GPS觀測精度。裁角越大，氣象對高程影響相對較小，但裁角大時，則觀測量也舍去較多，同時也弱化了方程式，對求解未知數是不利的，一般而言，裁角的選擇，宜以15°或20°較為適當。二是附加對流層天頂向參數及映射函數可有效改善對流層成差所造成GPS系統偏差，約可改善90%以上，修正時并不一定要采用計算過程較為復雜的六參數模式方可得到較好的成效，反而是形式較簡單的三參數或四參數模式能夠提供較穩定的修正能力。三是對于電離層延遲模式的建構，根據所算得決定系數與經過F檢驗所得到的結果，可以得知運用90 s取樣間隔所構建的修正模式，確實可對全電子含量在一天內各時刻的變化情形，提供相當高比例的預測能力，同時預測值與觀測值兩者間的統計關系也相當明確，再經進一步的評估及試驗后，可以發現運用新建模式確時可以得到有效的修正，并可以確認該區域性修正模式的確可對線性地物區域受電離層返延效應影響的高精度GPS觀測量，提供80%以上的修正效益，比目前廣播信息中所采用的全球性修正模式所能提供50%～60%的效益提升很多。四是完成的線性地物區域數值密度模型，在資料的儲存，更新及管理上，都相當方便，再配合數值地形模型，即可對地表實測得到的點位重力值進行重力歸算，進而可推導出大地水平面及其他重要的物理大地測量相關資料。五是在高精度GPS軌道計算方面，通過網絡取得追蹤資料，配合線性地物區域的連續觀測資料，采用調整衛星軌道方式計算，所得基線解精度要比使用廣播衛星或IGS衛星計算結果更好，因此，結合基準站的觀測資料來調控衛星軌道以增進基線解的精度是一項可行的方法。

參考文獻

[1] 閆彩虹，段鵬飛.淺談GPS-RTK技術在垂直救援中的應用[J].山西建筑，2010（20）.

[2] 汪永紅.GPS-RTK技術在蘭新鐵路勘測定界中的應用[J].科學之友，2011（16）.cendprint