淺談RTK在道路測量中的簡單操作及應用

馮 祥 李淑一

（湖北文理學院理工學院）

1 GPS 系統的組成，工作原理及誤差來源

1.1 GPS系統的組成

GPS全球定位系統由空間衛星群和地面監控系統兩大部分組成，除此之外，測量用戶還應有衛星接收設備。

空間衛星群 GPS的空間衛星群由24顆高約20萬公里的GPS衛星群組成，并均勻分布在6個軌道面上，各平面之間交角為60°，軌道和地球赤道的傾角為55°，衛星的軌道運行周期為11小時58分，這樣可以保證在任何時間和任何地點地平線以上可以接收4到11顆GPS衛星發送出的信號。

GPS的地面控制系統：GPS的地面控制系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站，主控站的作用是根據各監控站對 GPS的觀測數據計算衛星的星歷和衛星鐘的改正參數等并將這些數據通過注入站注入到衛星中去；同時還對衛星進行控制，向衛星發布指令，調度備用衛星等。監控站的作用是接收衛星信號，監測衛星工作狀態。注入站的作用是將主控站計算的數據注入到衛星中去。GPS地面控制系統主要設立在大西洋、印度洋、太平洋和美國本土。

RTK是一種全天候、全方位的新型測量系統，是目前實時、準確地確定近距離待測點位置的最佳方式之一，是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術。它需要一臺基準站接收機和一臺或多臺流動站接收機，以及用于數據傳輸的電臺。RTK定位技術是將基準站的相位觀測數據及坐標信息通過數據鏈方式及時發送給動態用戶，動態用戶將通過數據鏈傳輸的基準站數據連同自采集的相位觀測數據進行實時差分處理，從而獲得動態用戶的實時三維位置。

RTK系統主要由三大部分組成：基準站接收機、數據鏈、移動站接收機。

1.2 RTK工作原理

RTK（Real Time Kinematic）技術是以載波相位測量與數據傳輸技術相結合的以載波相位測量為依據的實時差分GPS測量技術，是GPS測量技術發展里程中的一個標志，是一種高校的定位技術。它是利用2臺以上GPS接收機同時接收衛星信號，其中一臺安置在已知坐標點上作為基準站，另一臺用來測定未知點的坐標——移動站，基準站根據該點的準確坐標求出其到衛星的距離改正數并將這一改正數發給移動站，移動站根據這一改正數來改正其定位結果，從而大大提高定位精度。它能夠實時的地提供測站點指定坐標系的三維定位結果，并達到厘米級精度。RTK技術根據差分方法的不同分為修正法和差分法。修正法是將基準站的載波相位修正值發送給移動站，改正移動站接收到的載波相位，再解求坐標；差分法是將基準站采集到的載波相位發送給移動站，進行求差解算坐標。RTK的關鍵技術主要是初始整周期模糊度的快速解算數據鏈的優質完成——實現高波特率數據傳輸的高可靠性和強抗干擾性。

1.3 RTK誤差來源

RTK定位的誤差，一般分為兩類：同儀器和干擾有關的誤差。同儀器和干擾有關的誤差：包括天線相位中心變化、多路徑誤差、信號干擾和氣象因素；同距離有關的誤差：包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。對固定基準站而言，同儀器和干擾有關的誤差可通過各種校正方法予以削弱，同距離有關的誤差將隨移動站至基準站的距離的增加而加大，所以RTK的有效作業半徑是有限制的（一般為幾公里）。同距離有關的誤差的主要部分可通過多基準站技術來消除。但是其殘余部分也隨著移動站至基準站距離的增加而加大。

2 RTK的技術特點

2.1 工作效率高：在一般的地形地勢下，高質量的RTK設站一次即可測完4km半徑的測區，大大減少了傳統測量所需的控制點數量和測量儀器的設站次數，移動站一人操作即可，勞動強度低，作業速度快，提高了工作效率。

2.2 定位精度高：只要滿足RTK的基木工作條件，在一定的作業半徑范圍內（一般為4km ）RTK的平而精度和高程精度都能達到厘米級。

2.3 全天候作業：RTK測量不要求基準站、移動站間光學通視 ，只要求滿足“電磁波通視”，因此和傳統測量相比，RTK測量受通視條件、能見度、氣候、季節等因素的影響和限制較小，在傳統測量看來難于開展作業的地區，只要滿足RTK的基木工作條件，它也能進行快速的高精度定位，使測量工作變得史容易史輕松。

2.4 RTK測量自動化、集成化程度高，數據處理能力強：RTK可進行多種測量內、外業工作。移動站利用軟件控制系統，無需人工干預便可自動實現多種測繪功能，減少了輔助測量工作和人為誤差，保證了作業精度。

2.5 操作簡單，易于使用：現在的儀器一般都提供中文菜單，只要在設站時進行簡單的設置，就可方便地獲得二維坐標。數據輸入、存儲、處理、轉換和輸出能力強，能方便地與計算機、其他測量儀器通信。

3 RTK的局限性和精度保障

當然RTK也有其局限性，會影響到執行上述測量任務的能力。了解其局限性可確保RTK測量成功。

最主要的局限性其實不在于 RTK 本身，而是源于整個GPS系統。如前所述，GPS依靠的是接收兩萬多公里高空的衛星發射來的無線電信號。相對而言，這些信號頻率高、信號弱，不易穿透可能阻擋衛星和GPS接收機之間視線的障礙物。事實上，存在于GPS接收機和衛星之間路徑上的任何物體都會對系統的操作產生不良影響。有些物體如房屋，會完全屏蔽衛星信號。因此, GPS不能在室內使用。同樣原因, GPS也不能在隧道內或水下使用。有些物體如樹木會部分阻擋、反射或折射信號。GPS信號的接收在樹林茂密的地區會很差。樹林中有時會有足夠的信號來計算概略位置，但信號清晰度難以達到厘米水平的精確定位。因此，RTK在林區作業有一定的局限性。這并不是說，GPS RTK只適用于四周對空開闊的地區。RTK測量在部分障礙的地區也可以是有效而精確的。其奧秘是能觀測到足夠的衛星來精確可靠地實現定位。在任何時間、任何地區，都可能會有7到10顆GPS衛星可用于RTK測量。RTK系統的工作并不需要這么多顆衛星。如果天空中有5顆適當分布的衛星，就可作精確可靠的定位。有部分障礙的地點只要可以觀測到至少5顆衛星，就有可能做RTK測量。在樹林或大樓四周作測量時，只要該地留有足夠的開放空間，使RTK系統可觀測到至少5顆衛星，RTK 測量就有成功的條件。

為了保證地物點的測量精度，我們在選點時要采取以下措施：

1、點位應設在易于安裝接收機設備、視野開闊、視場內周圍障礙物高度角應小于15°(如可以選在最高建筑物的頂樓或者山頂)。

2、點位應遠離大功率無線電發射源(如電視臺、信號塔、微波通道等)，其距離不小于200 m；遠離高壓電線，距離不小于50m 。

3、點位附近不應有大面積的水域或強烈干擾衛星信號接收的物體。

4、點位選擇要充分考慮到與其它測量手段聯測和擴展。

5、點位要選在交通方便的地方，以提高工作效率。

6、點位要選在地面地基堅硬的地方，易于點的保存。

除此之外，為了保證地物點的測量精度，我們還要對接收機天線進行校驗，選擇有削弱多路徑誤差的各種技術的天線。同時，我們還要不斷利用新的數據處理技術，以削弱各種誤差帶來的影響。

4 RTK點放樣及道路放樣

在使用RTK進行點放樣及道路放樣前的準備工作如下：

1.測前準備：獲取2～3個控制點的坐標（如果沒有已知數據可用靜態GPS先進行控制測量），解算或用相關軟件求出放樣點的坐標，檢查儀器是否能正常使用。

2.站的架設：將基準站架設在較空曠的地方（附近無高大建筑物或高壓電線等）

架設完后安裝電臺，連接好儀器后開啟基準站主機，打開電臺并設置頻率。

3.建立新工程：開啟移動站主機，待衛星信號穩定并達到5顆以上衛星時，先連接藍牙，連接成功后設置相關參數：工程名稱、橢球系名稱、投影參數設置、參數設置（未啟用可以不填寫），最后確定，工程新建完畢。

4.輸入放樣點：打開坐標庫，在此我們可以輸入編輯放樣點，也可以事先編輯好放樣點文件，點擊打開放樣點文件，軟件會提示我們是對坐標庫進行覆蓋或是追加。

5.測量校正：測量校正有兩種方法：控制點坐標求校正參數和利用點校正。

注：平面至少3個點，如果進行高程擬合則至少要有4個水準點參與點校正。

4.1 點放樣

當一切無誤后，選擇“測量”，并點擊點放樣，放樣點可現場添加，也可提前輸入放樣點庫，一般情況下提前將放樣點輸入放樣點點庫可以提高工作效率。輸入放樣點坐標后，手薄會有“東南西北”方位提示，根據提示即可找到所需放樣點位置。如提前編輯好放樣點坐標，當需放下一點時，只需點擊下一點／里程即可。

4.2 道路放樣

道路放樣與線放樣是相同的作業邏輯,只不過,道路比線的定義更加復雜,而且引入了縱斷面和橫斷面設計線,使得放樣點的計算稍微復雜一些，但是相對而言,道路放樣流程與線放樣的區別只在于定義線時的操作不同,后續的放樣點采集和點放樣工作是一樣的。

定義道路包括三個方面的數據,分別是平面、縱斷面、橫斷面。 平面定線有很多種方式,一般使用交點表法或者線元法[又稱積木法]。交點表法基于一定的約定(例如單交點線路定義交點內線元組合為緩和-圓曲-緩和),因此對線型有一定的表達限制，而使用線元法,則可以任意的組合出線路形狀，對于復雜曲線,例如卵形線,多交點曲線,虛交點等交點表數據,用相應的輔助軟件轉換獲得線元數據,然后用線元法定線。

下面簡單介紹一下平斷面編輯之中的交點法；

例如：下為承秦01標直線、曲線及轉角表

?

交點法

點擊[交點法]進入交點數據編輯界面：

當所有交點數據編輯完成后點擊預覽可檢查圖形是否正確，如下圖：

（此圖為承秦01表主路線形）

其中檢查里程可以任意輸入測區之中里程樁號，并對照逐樁坐標表對照，檢查曲線要素輸入是否正確。

注：儀器型號為中海達V8。

當上述準備工作做好以后，我們就可以開始一些簡單的道路放樣了，如：道路橫斷面測量、路基中間計量等。根據手薄顯示提示對斷面上的點逐個進行采集，現最新版GIS+手薄系統記錄點庫中直接顯示每點距中距離，省去內業計算各個橫斷面每點距中距離。

5 結論

GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區發展的形勢下，往往由于這些地區地形條件的限制，實施常規的幾何水準測量有困難，GPS高程測量無疑是一種有效的手段。實時動態RTK技術在公路勘測與作業中的應用，對等級公路的勘測手段和作業方法產生了重大改變，極大地提高了精度和效率，對公路勘測、施工和后期養護、管理方面有著廣闊的應用前景，為我國國民經濟發展帶來了可觀的經濟效益。隨著RTK價格的降低，它將會被測量部門所普及，隨著RTK的廣泛使用，它將使GPS的應用領域獲得極大地擴展，從根本上提高測量的質量和作業效率。但是，對于RTK的不足之處還有待于改進。