山區城市RTK浮動解出現的原因及時段規律分析

摘要：分析實時動態（Real-time Kinematic，RTK）差分定位技術出現浮動解的規律，提高測繪工作的效率和成果質量。對貴陽市域2014—2021年RTK觀測質量控制（Quality Control，QC）圖、出現浮動解時段觀測記錄和出現浮動解曲線圖進行對比、分析、統計，發現出現浮動解時間段不是固定不變的，曲線基本是圓滑的，并關聯太陽黑子爆炸發生時間進行分析，發現太陽黑子對其影響并不顯著，主要是衛星的幾何分布，浮動解出現的開始時間曲線和結束時間曲線的帶寬為1.72 h，每天出現浮動解后移的時間變化量約為303 s，周期為285.15 d。

關鍵詞：實時動態差分定位技術 浮動解 太陽黑子 位置精度因子

Analysis of the Reasons and Temporal Patterns of RTK Floating Solution Occurrence in Mountainous Cities

——Taking Guiyang City as an Example

HU Xiaojun

Guiyang Surveying and Mapping Institute， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China

Abstract： It analyzes the pattern of floating solutions in Real time Kinematic （RTK） technology differential positioning technology to improve the efficiency and quality of surveying and mapping work. Comparing， analyzing， and statistically analyzing the Quality Control （QC） chart of RTK observations in Guiyang city from 2014 to 2021， observation records during periods of floating solution occurrence， and curves of floating solution occurrence， it was found that the time periods of floating solution occurrence were not fixed and unchanging， and the curves were generally smooth. The analysis was related to the occurrence time of sunspot explosions， and it was found that sunspots did not have a significant impact on them， mainly due to the geometric distribution of satellites. The bandwidth of the start and end time curves of floating solution occurrence was 1.72 hours， and the time variation of the backward shift of floating solution occurrence was about 303 seconds per day， with a period of 285.15 days.

Key Words： Real time kinematic technology; Floating solution occurrence; Sunspots; Position dilution of precision

全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System， GNSS）技術^[1]因具有高精度、高效率、智能化、全天候、方便快捷等特點，深受航天、航海和廣大測繪工作者的信賴，并成為人們日常需求的一部分。由于全球衛星導航定位系統的衛星星座^[1]分布不均勻，以及山體的遮擋導致貴陽市域內每天有部分時間段不能同時接收到5顆以上的衛星，或接收到的衛星空間幾何分布不合理，位置精度因子（Position Dilution of Precision，PDOP）值較大^[1]，實時動態（Real-time Kinematic，RTK）差分定位技術^[2-3]無法獲得固定解，因此定位幾何精度不高。同時，固定解出現的時間并不是固定不變，而是出現隨時間變化的現象，嚴重影響了工作效率和測繪質量，未能突出RTK方便快捷、精度高、效益高的優點。

針對山區城市RTK的弱點，本文擬研究衛星導航定位系統在貴陽市域的衛星星歷與空間幾何分布規律和浮動解^[4]出現的時間規律，為今后合理安排野外測繪作業的時間提供科學依據；或采用多星座彌補GNSS定位衛星星座分布的缺陷，提高工作效率，提高測繪質量。

1貴陽市域概況

貴陽市是貴州省的省會，總面積為8 034 km²，貴陽市位于東經106°、北緯26°，平均海拔高程為1 175 m，全年濕度適中、溫度適宜，是世界上紫外線輻射最低的城市之一；全年中空氣質量在良級以上的天數超過95%；夏天氣溫都在35 ℃以下，全年平均氣溫為20～28 ℃，并且降雨充沛、交通便利，是西南出海的重要通道交匯點。

2 RTK浮動解出現的原因與規律分析

2.1 問題的由來與浮動解出現時段的數據獲取

貴陽市獨特的地理位置、海拔高度、大氣折光、氣候條件和全球定位系統（Global Positioning System，GPS）星座的分布等因素導致貴陽市區域內，每天總有一個時間段無法進行單機站RTK和連續運行參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）網絡RTK野外測繪，為此，有關部門認為是太陽黑子強烈爆炸^[5]導致該區域無法在太陽黑子爆炸的時間段內進行RTK野外測繪，因此發布了太陽黑子爆炸最強烈的時間在11：00—14：00之間，每天發布太陽黑子爆炸圖，要求野外測繪作業盡量避開太陽黑子爆炸強烈的相應時間段。

野外測繪人員在11：00—14：00之間也曾多次發現該時間段內不能進行RTK測繪或總出現浮動解。也認為是太陽黑子強烈爆炸時段所致，沒有懷疑是因為障礙物等其它原因造成，并且在該時間段基本不從事野外測繪工作。

有野外測繪作業人員發現在該時間段內，有時侯能進行 RTK外業觀測，即接收機顯示的平面精度、高程精度、PDOP、均方根值（Root Means Square，RMS）等以及所測的坐標和高程與已有控制點資料相比，其差值在規范以內；但有時候在該時間段以外卻不能進行RTK野外觀測，雖然接收機顯示的衛星顆數在6顆以上，但平面精度、高程精度不能滿足要求、PDOP大于6以及所測的坐標和高程與已有控制點資料相比，其差值不在規范范圍內。因此，對每天的太陽黑子爆炸強烈導致在11：00—14：00不能進行RTK野外測繪產生懷疑。

為此，從2013年開始在貴陽市域，通過在同一時段和不同時段使用中海達V8（1+1）GPS接收機、天寶5700接收機、天寶5800接收機、天寶R14接收機、南方靈銳GPS接收機等設備進行單基站RTK、CORS網絡系統RTK觀測，期望對RTK接收機不能進行野外正常作業的時段進行探究。

作業人員在野外作業過程中發現RTK流動站的平面位置精度、高程精度不能滿足要求、PDOP大于6，當初始化時間超過5 min仍不能獲得固定解時，斷開通信鏈路重新啟動RTK接收機，再次進行初始化。每次重復啟動3次仍然不能獲得固定解時，選擇其他位置進行測量。若仍然不能獲得固定解，則選擇視場高度角不大于10°，困難地區視場高度角大于10°，障礙物遮擋角累計不超過30°，并且200 m范圍內沒有通信基站、電視臺、微波站、電臺、變電站等大功率無線電發射源，距離高壓輸電線路、微波通道的距離大于100 m，以及無大型建筑物、玻璃幕墻、大面積水域等強烈干擾RTK接收機衛星信號的地方進行測量。若發現RTK流動站的平面位置精度、高程精度不能滿足要求、PDOP大于6，初始化時間超過5 min仍不能獲得固定解時，斷開通信鏈路重新啟動RTK接收機，再次進行初始化，重復啟動3次仍不能獲得固定解時，說明不是障礙物造成的，并進一步排除電臺、CORS網絡系統故障后，作業人員用筆記本記錄RTK接收機不能獲得固定解的大概開始時間、結束時間、平面位置精度、垂直精度、PDOP值、衛星顆數、使用的儀器類型等信息（如表1所示）。

通過初步分析，可以發現RTK出現浮動解的時間段不是固定不變的，為此先對2014年的浮動解出現的記錄數據進行整理、統計與分析，繪制了2014年跟蹤浮動解曲線圖（如圖1所示）；為能更加清晰準確地分析浮動解出現的周期，繪制了2014—2021年跟蹤浮動解曲線圖，如圖2所示。將因觀測過程中受障礙物、電臺或CORS網絡系統等影響因素導致的浮動解觀測記錄剔除后，填寫了出現浮動解時段的觀測記錄表，如表2所示。

在對浮動解時段觀測的資料統計和分析中發現，2014年的時段長度的平均值為1.70 h、方差為0.17 h；2013—2021年所有時段長度的平均值為1.72 h、方差為0.18 h。

2.2太陽黑子爆炸與浮動解的關聯分析

為了說明太陽黑子爆炸與RTK野外觀測出現浮動解的關系，收集了有關太陽黑子爆炸的圖片資料和RTK外業觀測的QC圖資料。并從2013—2022年收集的有關資料中整理出比較全面的、具有代表性2014—2021年太陽黑子爆炸強烈的圖片資料和RTK觀測QC圖圖片資料進行對比、統計、分析，可以得出所選圖片資料均為2014年各個季度下旬的16號和18號，僅相差2 d，幾乎是同一天的太陽黑子爆炸圖片資料。對其進一步對比、統計、分析發現太陽黑子爆炸最強值為31、最弱值為0。2014年太陽黑子爆炸最強烈的季節為夏秋之交，太陽黑子爆炸最弱的季節為冬春之交；每天太陽黑子爆炸強烈的時間段為11：00—16：00，每天太陽黑子爆炸最強烈的時間段為11：00—13：00，最弱的時間段為20：00—4：00。按照有關部門的推理認為太陽黑子爆炸強烈的時間段在每天的11：00—16：00，是導致RTK外業觀測出現浮動解的主要原因（平面精度、垂直精度、PDOD值不能滿足規范要求的時段）；每年夏秋之交的11：00—13：00是太陽黑子爆炸最強烈的時間段，是影響和干擾RTK外業觀測衛星信號最嚴重的時段，其水平精度和垂直精度都在米級以下、PDOP大于6以上。但是，通過對第一季度、第二季度、第三季度和第四季度的RTK觀測QC圖資料（水平精度QC圖、垂直精度QC圖、衛星QC圖、PDOP值QC圖和RMS值QC圖）進行對比、統計、分析所選用的RTK觀測QC圖的時間與太陽黑子爆炸圖的時間一致，并且在中午12點鐘左右，除2014年第三季度（9月16日）RTK觀測QC圖中顯示的衛星顆數為7顆，在衛星顆數大于RTK規范規定的顆數5顆的前提下，水平精度為52 mm大于規范規定的20 mm，垂直精度為77 mm大于規范規定的20 mm，PDOP的值為11.8大于規范規定的6.0和RMS的值為45.7外，其余三季度的水平精度最大值為1 8 mm、最小值為3 mm；；垂直精度最大值為24 mm、最小值為21 mm；PDOP值最大為2.8、最小值為2.1；RMS值最大為24.7，最小值為24.2，并且夏秋之交的中午是太陽黑子爆炸最強烈的季節，但RTK觀測QC圖中顯示水平精度最大值為9 mm、垂直精度最大值為21 mm，PDOP值最大為2.8，RMS值最大為24.7。可見，太陽黑子強烈爆炸對RTK在貴陽市域的野外觀測有影響，但其影響并不顯著，不是導致RTK野外觀測出現浮動解的主要原因。

2.3 貴陽市RTK浮動解出現時段的規律分析

通過對2014年跟蹤浮動解曲線圖、出現浮動解時段觀測記錄表和RTK觀測QC圖進行對比、分析、統計可以得出，浮動解出現的開始時間和結束時間段內，可觀測的衛星顆數都在6顆以上；非太陽黑子強烈爆炸的時間段出現了浮動解，其平面位置精度、垂直精度不能滿足相應的規范要求、PDOP大于6，而太陽黑子強烈爆炸的時間段（11：00—14：00）出現了固定解，甚至在太陽黑子爆炸最強烈的時間段（春夏之交中午的11：00—13：00）也出現了固定解，其平面位置精度、垂直精度在規范范圍內、PDOP小于6 。此外，出現浮動解的時間段并不是固定不變的，而是隨著時間的變化逐漸往后推移，出現浮動解的開始時間與結束時間之間的長度呈現隨機變化，可能是因為架設接收機位置的不同、接收機周圍障礙物（貴陽屬于高山地區城市）影響的不同、GPS衛星分布的不同等因素造成的。

通過對2014年浮動解出現的開始時間點和結束時間點分別進行統計分析，繪制其圖形，并進行3次曲線樣條擬合發現，浮動解出現的開始時間曲線和浮動解出現的結束時間曲線基本呈現出平滑狀，經統計分析得出每天往后推移的時間變化量約為317 s；浮動解出現的開始時間曲線與結束時間曲線之間的帶寬（浮動解出現的開始時間到浮動解出現的結束時間的長度）約為1.7 h，同一時刻出現浮動解的周期約為272.56 d。

由于統計分析僅僅是2014年全年部分白天采集記錄的RTK外業觀測數據，樣本容量不具有全面性和準確性。為此，通過對2014—2021年跟蹤浮動解曲線（見圖1、圖2）和2014—2021年出現浮動解時段觀測記錄表（見表2），進一步地進行綜合分析得出，浮動解出現的開始時間曲線與結束時間曲線之間的帶寬為1.72 h，每天出現浮動解往后推移的時間變化量約為303 s，同一時刻出現浮動解的周期為285.15 d。

3 結論

通過對2014—2021年跟蹤浮動解曲線圖、出現浮動解時段觀測記錄表、太陽黑子爆炸圖、RTK觀測QC圖等進行對比分析得出，太陽黑子強烈爆炸對RTK在貴陽市域的野外觀測并不具備顯著影響，其規律表現為：RTK野外觀測浮動解出現的開始時間曲線與結束時間曲線之間的帶寬為1.72 h；每天出現浮動解往后推移的時間變化量約為303 s；同一時刻出現浮動解的周期為285.15 d。

因此，在今后的RTK野外測繪工作中，要充分考慮這一規律，并進一步通過在貴陽市域內、外做好浮動解的出現、結束等信息記錄，并進行統計、分析，使其規律精確化，不同地域的共性化，為在貴陽市域內及其他地區測繪使用RTK提供準確、可靠的野外觀測時間段，突顯RTK方便快捷、精度高、效益高的優點，為今后的野外測繪合理安排作業時間提供科學依據；或采用多星座彌補GNSS定位衛星星座分布的缺陷，進而提高RTK測繪工作效率和成果質量，使測繪工作真正實現有計劃、有步驟、快速高效。

參考文獻

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