芻議如何提高RTK測量精度

郭術輝

摘 要：實時動態定位（RTK）技術是GPS測量技術的一個重要突破。分析了影響RTK測量精度的誤差因素，并針對這些因素，結合實例，提出了應對措施，為RTK技術的擴展提供了參考。

關鍵詞：RTK；精度；誤差；措施

引言

近年來，GPS技術已經廣泛應用于工程測量和控制測量等領域，例如橋梁或建筑的形變監測、沉降監測等方面的高精度測量。但是隨著工程技術的快速發展，工程測量領域也愈加復雜，常規的GPS靜態測量難以滿足當前的需求，如施工放樣測量、地形及地籍變更測量等都對GPS的實時測量提出了更高的要求。實時動態測量技術（RTK）將GPS技術與數據通信技術結合，利用載波相位觀測實現了動態的實時差分定位，可以實時提供測站點的定位數據。該技術設置有基準站GPS接收機，對GPS衛星進行連續觀測，并將數據發送給移動站GPS接收機。同時，移動站上的GPS接收機還會接收到GPS衛星的載波相位數據。這兩組數據間存在相位差分，通過相對定位原理進而計算出移動站的實時三維坐標。對于高質量的RTK一次可以完成直徑10km的測量區域，作業效率非常高，并其定位精度較高，可達厘米級。但是，RTK在實際測量時，電離層等會對GPS衛星信號造成干擾，導致RTK測量初始化時間長，甚至不能初始化，限制了RTK測量精度。另外，在野外作業中，外界高大建筑、高頻信號等都會干擾數據信號的傳輸，造成信號衰減，嚴重影響RTK的測量精度和區域范圍。

1 RTK測量精度的影響因素

影響RTK測量精度的因素主要可以分為以下兩個方面，即與測站和測量條件有關的測量誤差，以及數據處理誤差。

1.1 測量誤差

由于GPS衛星的空間組成和信號強度設計的限制，在地球中、低緯度地區每天會出現30min左右的盲區，這會給RTK測量帶來一定的衛星鐘誤差。此外，對于接收機設備，內部噪聲干擾、天線相位中心變化、通道延遲、接收機鐘差和位置誤差、多路徑效應等都會顯著影響RTK的測量精度。

在RTK實際測量中，測站和移動站周圍測量環境、氣象因素（電離層和對流層）以及移動站與基準站的間距等測量條件因素都對RTK測量精度造成不同程度的影響。例如，當GPS接收機天線周圍存在高大建筑物或大面積水域時，會對電磁波產生高強度的反射，反射的電磁波與衛星發射的信號發生疊加，當被接收機接收時會造成多路徑定位誤差，其誤差達1-5cm，甚至10cm以上，這將對RTK測量精度產生嚴重影響。在RTK測量中，基準站通常采用頻率410-420MHz、波長72cm的差分信號將觀測數據傳輸給移動站，這種電磁波信號的最大傳輸距離收到接收天線高度、地球曲率半徑及大氣折射等因素的影響。在平原等開闊區域，RTK定位精度較高，而在城市、山區和森林等地區，信號遮擋和屏蔽嚴重，會導致信號衰減和失鎖，從而造成接收站不能連續可靠的接收來自基準站的差分信號，降低了RTK測量精度，嚴重時會無法進行RTK測量。對于電離層，其在白天干擾較大，使得可共用的GPS衛星較少，導致RTK初始化時間延長，不過其影響一般小于5×10-6D，通過差分技術可以大部分消除。此外，移動站與基準站的間距也會造成一定的軌道誤差，誤差一般達幾米，并且隨二者間距的增大而增加。

1.2 數據處理誤差

最常見的數據處理誤差包括：坐標參數轉換誤差、數學模型誤差、模糊度解算誤差、差分信號調制解調誤差等。其中，以坐標轉換誤差和整周模糊值（即初始化）誤差的影響較為突出。

對于整周模糊值，其主要是受到電離層強度的影響，這會影響GPS衛星信號到達基準站和移動站的時間，并且基線越大，影響程度越大，嚴重時會造成信號失鎖，從而大大延長確定整周模糊值的觀測時間。對于坐標轉換誤差，其影響因素主要有控制點的點位誤差、RTK點與控制點構成區域的相對位置以及坐標轉換參數計算模型這幾個方面。以坐標轉換參數計算模型為例，有研究分別采用布爾沙模型和簡化布爾沙模型進行七參數計算和四參數計算，用來分析坐標轉換參數的誤差對某平原地區RTK測量結果的影響。當以YJ10、YJ08、YJ06和YJ05四個建模點構成一個區域，進行七參數計算，將區域外的HBYJ11和HBYJ22兩個點GPS坐標轉換，坐標轉換誤差mx=±0.012m；my=±0.010m；mh=±0.005m。計算結果表明，當區域外距離不大于3km時，七參數可以外推應用，RTK高程誤差不大于5cm，并可滿足1∶2000比例尺圖根點的精度要求。而以YJ08和YJ06作為建模點，兩點構成一條4km的線段，進行四參數計算。結果發現，在YJ08、YJ06線段的延長方向0.7km，在YJ08、YJ06線段的兩側，最遠點1.7km，RTK高程較差不大于5cm。以上分析說明，不同的坐標轉換計算模型用于RTK測量，其適用范圍會有所不同，需要根據實際測量情況適當選擇，以保證其測量精度。

2 提高RKT測量精度的措施

對于影響RTK測量精度的各種誤差，可以采用各種校正方法或有效的改進措施予以削弱，例如，采用求差法降低了載波相位測量改正后的的殘余誤差及接收機鐘差和衛星改正后的殘余誤差等因素的影響。對于與坐標轉換有關的數據處理誤差，應合理設置已知控制點的精度和密度，一般視測區內設置3-6個基準點即可，同時，還應采取不同基準點的匹配方案，用不同的計算方法求得坐標轉換參數，經對比選出殘差較小、精度較高的參數。

另外，GPS衛星發射的信號被基準站和移動站的接收機接收，中間要經過電離層、對流層等多方面的干擾，影響GPS的信號接收質量，因此，非常有必要對基準站和移動站的安裝位置、間距等參數進行合理設置。具體的措施闡述如下：

首先，基準站和移動站應該遠離微波站、尋呼臺發射塔、變電站、高壓線、電視臺等強電磁干擾源，消除干擾差分信號正常發射的因素。其次，接收站周圍應盡量避免出現大面積水域、大型建筑等面積較大的電磁波反射物，以消除多路徑誤差的影響。此外，基準站和移動站的天線應盡量架設在較高的位置，以減少周圍高層建筑、高山等物體對傳輸信號的遮擋，消除信號衰減等因素的影響。同時，由于隨基準站和移動站間距的增大，RTK點位精度越不可靠，因此當二者距離較遠時，也應盡可能的增加天線的高度，以提高電臺的傳輸距離。最后，在RTK測量時需要先進行初始化，獲得固定的整周模糊度，才能進行測量。由上面分析知道，白天電離層干擾大，可用GPS衛星較少，可能造成初始化失敗，因此應該避開中午時段進行測量，同時為了保證接收機的可靠接收數據，每次施工間隙后再次作業，都需要重新開關機初始化，并自檢或互檢。

3 結束語

為了進一步提高RTK測量的精度和可靠性，2010年起，GPS系統的在軌衛星由24顆增加到30顆，另外GNSS多衛星系統儀器近幾年開始使用，這種多衛星定位系統的應用可在相當程度上解決GPS的局限性。另外，在數據處理方面，需要針對多路徑、電離層、對流層等誤差因素建立新的補償和計算模型，以拓展RTK的應用。

參考文獻

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