GNSS-RTK測(cè)量精度分析與質(zhì)量控制

張向紅（湖南省地質(zhì)測(cè)繪院，湖南省　衡陽市　雁峰區(qū)　421001）

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GNSS-RTK測(cè)量精度分析與質(zhì)量控制

張向紅（湖南省地質(zhì)測(cè)繪院，湖南省衡陽市雁峰區(qū)421001）

近些年，單基站全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（RTK）技術(shù)在各類高精度定位中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是隨著GNSS定位技術(shù)的發(fā)展，GNSS逐漸從靜態(tài)定位領(lǐng)域發(fā)展至實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)定位領(lǐng)域，目前地表90%的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)采集基本來自GNSS技術(shù)。本文首先分析了GNSS-RTK技術(shù)作業(yè)原理及其測(cè)量精度，其后就實(shí)例分析了GNSS-RTK測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用與質(zhì)量控制，以期獲得更為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

GNSS-RTK技術(shù)；測(cè)量精度；質(zhì)量控制

1　引言

GNSS-RTK技術(shù)憑借著測(cè)量精確度高、運(yùn)速快、全天候、單站測(cè)量范圍等等優(yōu)勢(shì)，在測(cè)繪領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。由于GNSS-RTK定位主要采用載波相位差分的方法，一般可達(dá)到（10mm+2×10-6D）的精度，做好其測(cè)量精度分析與質(zhì)量控制具有現(xiàn)實(shí)意義。

2　GNSS-RTK技術(shù)作業(yè)原理及其測(cè)量精度分析

2.1 GNSS-RTK技術(shù)作業(yè)原理

GNSS-RTK是以載波相位觀測(cè)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)，主要組成部分包括基準(zhǔn)網(wǎng)站、流動(dòng)站、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

GNSS-RTK測(cè)量技術(shù)作業(yè)原理如下：將基準(zhǔn)站接收機(jī)布設(shè)于已知/未知坐標(biāo)參考點(diǎn)上，以連續(xù)接收所有的可視GNSS衛(wèi)星信號(hào)，基準(zhǔn)站將測(cè)量所得的站點(diǎn)坐標(biāo)、載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值、接收機(jī)工作狀態(tài)以及衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)，借助無線數(shù)據(jù)鏈傳送至流動(dòng)站，其后流動(dòng)站進(jìn)入到初始化狀態(tài)，搜索求解整周未知數(shù)，最后進(jìn)入到動(dòng)態(tài)作業(yè)。流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站傳入的數(shù)據(jù)，同步觀測(cè)采集GNSS衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)內(nèi)差分處理求解載波相位整周模糊度，根據(jù)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站相關(guān)性，得到流動(dòng)站平面坐標(biāo)X、Y和高程H。

2.2 GNSS-RTK技術(shù)測(cè)量精度

平面精度：（10mm+2×10-6D）；

高程精度：20mm+2×10-6D。

單基準(zhǔn)站RTK單次觀測(cè)時(shí)，流動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站的相對(duì)點(diǎn)位中誤差估算如下：

式中：δ——標(biāo)準(zhǔn)差/mm；

a——固定誤差/mm；

b——比例誤差系數(shù)/（mm/km）；

d——流動(dòng)站至參考站距離/km。

2.3 GNSS-RTK測(cè)量技術(shù)要求

RTK測(cè)量前，需按照任務(wù)要求，將測(cè)區(qū)高等級(jí)控制點(diǎn)地心坐標(biāo)、參心坐標(biāo)、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)以及高程成果收集到位，并開展相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計(jì)。RTK流動(dòng)站和基準(zhǔn)站間作業(yè)距離不得大于10km。考慮測(cè)區(qū)具體情況，可設(shè)置不同高度發(fā)射天線、架設(shè)中繼站，增長傳播距離。數(shù)據(jù)傳輸距離于測(cè)站天線高度的理論關(guān)系如下：

式中：D——數(shù)據(jù)鏈覆蓋半徑/km；

h1——基準(zhǔn)站電臺(tái)天線高/m；

h2——流動(dòng)站天線高/m。

3　實(shí)例分析GNSS-RTK測(cè)量精度要求及其質(zhì)量控制

3.1工程概況

本項(xiàng)目為某城市道路改造工程，道路紅線寬度60m，全長3.44km，其中，含主線高架橋及4座立交，主線高架橋長約1.8km，其余路段采用地面走向，道路長約1.64km。該道路兩側(cè)為工業(yè)區(qū)和居民生活區(qū)，建筑物密集、交通繁忙、無線電信號(hào)復(fù)雜、街道兩旁樹木密集。

3.2 GNSS-RTK測(cè)量精度要求

本工程只提供4個(gè)基準(zhǔn)控制點(diǎn)，無法滿足工程施工需要，為此，首先采用GNSS靜態(tài)控制測(cè)量進(jìn)行控制點(diǎn)加密，再利用已知控制點(diǎn)進(jìn)行RTK動(dòng)態(tài)碎部測(cè)量。

3.3 GNSS加密控制網(wǎng)施測(cè)及其質(zhì)量控制

3.3.1網(wǎng)形布設(shè)

GNSS加密控制網(wǎng)以GNSS導(dǎo)線形式沿道路布設(shè)，共布設(shè)控制點(diǎn)22個(gè)，控制點(diǎn)編號(hào)為GP01～GP22，其中，GP02、GP06、GP20、GP22為原首級(jí)控制點(diǎn)。控制測(cè)量采用ITRF97框架、2000.0歷元三維地心基準(zhǔn)和北京54坐標(biāo)系，橢球參數(shù)為a=6378245m，f=1/298.3，東經(jīng)114°中央子午線，高斯3°帶正形投影，1985國家高程基準(zhǔn)，北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)BST時(shí)間。測(cè)量控制網(wǎng)布置如圖1所示。

圖1　道路改造工程控制測(cè)量網(wǎng)布置圖

3.3.2控制網(wǎng)施測(cè)

采用6臺(tái)中海達(dá)V30 GNSS-RTK系統(tǒng)進(jìn)行控制測(cè)量。平面控制網(wǎng)按E級(jí)GNSS的相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行施測(cè)。采用網(wǎng)聯(lián)式觀測(cè)方案，共施測(cè)4個(gè)時(shí)段，設(shè)22個(gè)測(cè)站，觀測(cè)66條基線，聯(lián)測(cè)19個(gè)控制點(diǎn)，重復(fù)設(shè)站率為1.6，衛(wèi)星高度角不小于15°，有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不小于10顆，平均重復(fù)設(shè)站數(shù)不小于1.6，觀測(cè)時(shí)段長度大于等于60min，數(shù)據(jù)采樣間隔為15s，PDOP≤6。

GNSS測(cè)量前，選用IGR商用軟件預(yù)報(bào)精密星歷，編制測(cè)區(qū)衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)表和衛(wèi)星出現(xiàn)的方位圖等，以選擇最佳觀測(cè)時(shí)段。每時(shí)段開關(guān)機(jī)前在互為120°的3個(gè)方向上各量測(cè)天線高一次，量測(cè)互差應(yīng)小于2mm，記錄資料完整無誤，將標(biāo)蓋復(fù)原后方可遷站。

3.3.3基線解算

本工程采用TGO數(shù)據(jù)處理軟件解算基線向量，為保證控制點(diǎn)的CGCS2000三維坐標(biāo)精度，與WHCORS系統(tǒng)WHKC（勘測(cè)院）站進(jìn)行聯(lián)合數(shù)據(jù)處理。基線采用雙差固定解，整周模糊度固定Ratio值大于3。同步環(huán)坐標(biāo)分量相對(duì)閉合差應(yīng)滿足6.0×10-6、環(huán)線全長相對(duì)閉合差10.0×10-6的要求。異步環(huán)坐標(biāo)分量閉合差和全長閉合差應(yīng)符合Wx≤2nσ、Wy≤2nσ、Wz≤2nσ、W≤23nσ的要求。未通過檢驗(yàn)的基線予以舍棄，舍棄后，若存在不能與兩條合格基線連結(jié)的任一控制點(diǎn)，則對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行重測(cè)，且不少于一條獨(dú)立基線，任何情況下都不允許出現(xiàn)無約束的自由基線。

3.3.4網(wǎng)平差計(jì)算

網(wǎng)平差計(jì)算采用COSA GPSV5.2平差軟件。①進(jìn)行三維無約束平差，剔除基線向量改正數(shù)超過限差的基線；②用滿足限差要求的獨(dú)立基線重新進(jìn)行三維約束平差。在進(jìn)行約束平差之前，先進(jìn)行起算控制點(diǎn)的兼容性檢驗(yàn)。約束平差中，基線向量改正數(shù)和剔除粗差后無約束平差結(jié)果的同名基線相應(yīng)改正數(shù)的較差按dVΔx≤2σ、dVΔy≤2σ、dVΔz≤2σ的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。

三維無約束平差以WHKC的已知CGCS2000坐標(biāo)作為起算依據(jù)，基線向量改正數(shù)需滿足：VΔx≤3σ、VΔy≤3σ、VΔz≤3σ。無約束平差后，輸出各基線向量的改正數(shù)、基線邊長、方位、點(diǎn)位的精度信息。通過三維無約束檢核原始基線向量，再引入高等級(jí)原有控制網(wǎng)已知數(shù)據(jù)分別在WGS-84橢球和1954北京坐標(biāo)系橢球基準(zhǔn)下進(jìn)行約束平差。

3.4質(zhì)量評(píng)價(jià)及其控制措施

3.4.1質(zhì)量評(píng)價(jià)

本工程四等控制測(cè)量精度良好，完全能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程和工程施工的要求。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算得知，平面控制網(wǎng)中各相鄰點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差不大于±20mm，平面控制網(wǎng)邊長相對(duì)中誤差不大于1/45000，當(dāng)邊長小于200m時(shí)，邊長相對(duì)中誤差不大于±20mm。二維約束平差后，最弱點(diǎn)為GP21，X方向點(diǎn)位精度為0.8cm，Y方向點(diǎn)位精度為0.5cm，點(diǎn)位中誤差為0.943cm。最弱邊為GP08～GP09，其邊長為268.903m，相對(duì)精度為1/46190，滿足相關(guān)規(guī)范要求。表明本次平面加密網(wǎng)成果具有良好的可靠性，滿足本工程施工建設(shè)的需要。

3.4.2質(zhì)量控制措施

根據(jù)本工程GNSS靜態(tài)控制測(cè)量實(shí)踐，可以采用以下方法提高GNSS控制測(cè)量的精度，加強(qiáng)質(zhì)量控制。

（1）在布設(shè)GNSS網(wǎng)時(shí)，采用同步圖形擴(kuò)展方式，適當(dāng)增加觀測(cè)期數(shù)（增加獨(dú)立基線數(shù)），保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)。保證每個(gè)測(cè)站至少與3條以上的獨(dú)立基線相連，在布網(wǎng)時(shí)，使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條。

（2）為保證對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤觀測(cè)和信號(hào)質(zhì)量，測(cè)站應(yīng)設(shè)置在開闊地帶，在其上方15°高度角范圍內(nèi)不能有成片的障礙物。在測(cè)站周圍約200m范圍內(nèi)，不能有強(qiáng)電磁波干擾物，應(yīng)遠(yuǎn)離對(duì)電磁信號(hào)反射強(qiáng)烈的地形、地物，例如：高層建筑、成片水域等，以避免或減少多路徑效應(yīng)的發(fā)生。

（3）在全面網(wǎng)之上布設(shè)框架網(wǎng)，引入高精度激光測(cè)距邊與GNSS基線向量進(jìn)行聯(lián)合平差或作為起算邊長。起算點(diǎn)均勻分布在GNSS網(wǎng)的周圍，避免分布在一側(cè)。

（4）進(jìn)行衛(wèi)星預(yù)報(bào)，選擇較好的時(shí)間段進(jìn)行 GNSS觀測(cè)。進(jìn)行基線解算時(shí)，刪除觀測(cè)時(shí)間太短的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)及相同的時(shí)間段內(nèi)多顆衛(wèi)星周調(diào)嚴(yán)重的時(shí)間段。

（5）在提取基線向量進(jìn)行GNSS網(wǎng)平差時(shí)，先進(jìn)行三維無約束平差，然后進(jìn)行約束平差或聯(lián)合平差，即在控制測(cè)量中需引入精度較高的外部點(diǎn)參與平差計(jì)算，以提高控制測(cè)量精度。

4　結(jié)語

綜上所述，GNSS-RTK測(cè)量技術(shù)具有全天候、高精度、定點(diǎn)速度快、作業(yè)效率高等特點(diǎn)，因此得到了大量工程施工隊(duì)伍的青睞。由上述實(shí)踐可知，GNSS-RTK應(yīng)用于道路工程中效果良好，達(dá)到了測(cè)量精度要求，為后期工程施工提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

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張向紅（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事大地測(cè)量、工程測(cè)量方面的工作。

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2095-2066（2016）11-0041-02

2016-3-20