RTK技术在重庆市某工业园区工程测量应用实践研究

2022-09-10

实时动态 (RTK) 定位测量系统的构成实时动态定位测量系统主要由以下三部分构成。

(1) 卫星信号接收系统在实时动态定位测量系统中。应至少包含两台GPS接收机, 分别安置在基准站和流动站上。当基准站同时为多用户服务时, 应采用双频GPS接收机, 其采样率与流动站采样率最高的相一致。

(2) 数据传输系统 (数据链) 。由基准站的数据发射装置与流动站数据接收装置组成, 它是实现实时动态测量的关键性设备。其稳定性依赖于高频数据传输设备的可靠性与抗干扰性。为了保证足够的数据传输距离及信号强度, 一般在基准站还需要附加功率放大设备。

(3) 软件解算系统。实时动态定位测量的软件解算系统对于保障实时动态测量结果的精确性与可靠性, 具有决定性的作用。

1 城市测量的作业流程

1.1 内业准备

(1) 求转换参数。

(1) 将GPS基准站架设在已知点A上, 设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数, 关闭转换参数和七参数, 输入基准站坐标 (该点的单点84坐标) 后设置为基准站。

(2) 将GPS移动站架设在已知点B上, 设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔, 关闭转换参数和七参数后, 求得该点的崮定解 (84坐标) 。

(3) 通过A、B两点的84坐标及当地坐标, 求得转换参数。

(2) 建立任务, 设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。

(3) 作计划线。如果已经有了测量断面就要重新布设, 但可以根据需要进行加密。

1.2 求定测区转换参数

城市测量是在地方独立坐标系上进行的, 这就存在WGS-84坐标和地方独立坐标系的坐标转换问题。

以变形监测为目的的GPS网的精度要求一般都很高, 这就对GPS观测数据的数据处理提出了更高的要求。本文提出的GPS城市三维变形监测网数据处理模型主要解决了如下3方面的问题。

首先考虑到GPS城市三维变形监测网的特殊性, 通过选择站心地平坐标系作为GPS数据处理的参考坐标系, 解决常规GPS数据处理中坐标转换或坐标投影带来额外误差的问题, 使GPS数据处理模型更加简单, 同时使GPS观测数据与其它测量数据三维城市变形监测网联合平差数学模型的建立变得更加方便;其次, 选择拟稳平差作为GPS变形监测网的平差方法, 拟稳平差比较适合于变形监测网的数据处理;再次, 提出了采用聚类分析方法确定拟稳点 (或基准点) 相对稳定性, 解决平差的基准问题。上述数据处理模型通过编程得以实现, 并通过实例计算, 验证了所提出模型的正确性和可靠性。

1.3 RTK施测步骤

GPS天线相位中心的偏差一般为数J二, 为减弱天线的定向误差对GPS基线向量的影响, 在各观测墩上标出指北方向线, 观测时将天线按定向线进行安置。

(1) 选择恰当的观测窗口和足够的观测时间。卫星的几何分布强度和可接收信号的卫星数决定了GPS的观测精度, 用GPS进行形变监测必须有足够的观测时间, 以减弱其他随机误差的影响, 提高观测精度, 建议各监测点的测段观测时间均长于一个小时。

(2) 与已有WGS一84系坐标的点进行联测, 一般与IGS核心站观测资料进行联测计算, 得到准确的起算数据, 以消除起始点误差对基线解的影响。

(3) 制定合理的观测方案。在制定观测方案时, 注意到保证有足够的多余观测, 以利于粗差的剔除, 防止误差的积累。

(4) 在GPS数据处理时, 注意剔除含有粗差的观测值和观测信号不好的时段。

2 RTK实测中注意的问题及对策

RTK技术在城市测量中有广阔的应用前景, 但是由于城市特殊的环境, 存在诸多的不利于RTK作业的因素, 诸如强大的无线电网络、高大的建筑物、繁忙的交通等。在大量的实践应用中, 我们发现了测量过程中的许多问题, 经过认真的分析, 主要有以下几方面原因。

(1) 应在开始观测前联测其他已知点进行对比, 以确定基准站和流动站各参数设置是否正确, 以及数据链通讯是否正常。

(2) 为提高观测成果的精度, 流动站宜采用带支架的对中杆。

(3) RTK作业时, 有时会出现数据链不稳定的现象。这时应通知基准站测量人员重新选择电台发射频率, 流动站也重新选择接收频率;也可能是电台的电量不足, 应及时充电。

(4) 在RTK测量过程中, 有时会出现在某个区域或一个时间段里, 解算时间较长甚至无法获取固定双差解的情况。可选择复位后重新观测记录;也可能没有足够的卫星可用或卫星分布不利, 可选择适当提高截止高度角 (例10°或15°) 或删星。

(5) 在房屋密集区域, 或在林木茂盛的地方, 由于天空通视条件的限制, RTK无法确定其坐标位置, 应采用常规测量方法。

3 城市测量应用实例

3.1 测区概况

某工业园是某市规划建设的新区之一, 是今后几年某市城市基础建设的重点地区。该测区地势相对平缓, 高大建筑物较少, 对视空影响不大。除个别地方外对RTK作业无大的影响。

3.2 确定转换参数

为保证转换参数的精度, 共加进5个高等级GPS控制点 (A、B、C、D、E) , 通过多种点的匹配方案, 选择残差较少、精度较高的一组参数为最终启用参数。

3.3 工程应用及定位精度比较分析

应用“2”级以上精密全站仪, 准确对中整平, 以主基线固定端点为架站起点, 以主基线方向为起始方向, 以正倒镜观测取中的方式, 应用CAD环境下辅助设计获取的数据先调整另一端点至准确位置。然后应用CAD下获取的调整数据逐级调整各控制桩位至准确位置。应用GPS测量和抽检部分角度方式进行全面检核为保证经以上各步骤获取的方格网满足规程规范要求, 应进行全面检测其点位中误差和角度限差角度限差应满足<士5”、点位中误差应满;为比较应用GPS测量和抽检部分角度方式进行全面检核的可行性, 本工程既应用全站仪进行了全面检测又应用GPS进行了D级精度标准作业的GPSD级网。经对比发现角度最大差值为“2”, 坐标最大差值为△X=smm、△=y6mnI;均满足相关规程规范要求, 证明应用GPS测量和抽检部分角度方式进行全面检核的作业是可行的。

如表1, 表2所示。

4 结语

(1) 建立系统误差模型, 对观测量进行修正。如:采用霍普菲尔德 (Hopfie动公式、萨斯塔莫宁 (Saastamoinen) 公式、勃兰克 (Black) 公式等对对流层折射误差进行改正。

(2) 引入相应的未知参数, 在数据处理中同其它未知参数一并求解。如采用轨道改进法对卫星星历误差进行改正u51。

(3) 差分技术, 通过同步观测值间求差, 消除观测值间的相关性误差。

目前, 这3种措施都得到了很大的发展。本文只讨论第三种:同步观测求差法。同步观测法可以消除和削弱系统误差中的相关误差, 例如:接收机间求一次差分可以消除与卫星有关的误差;利用双频接收机和同步观测求差可以减弱电离层折射以及对流层折射的影响;通过在卫星间求一次差分来消除接收机的钟差等。

(4) 但是, 在不同观测站间同步观测求差的方法存在一个致命的缺点:它的有效作用距离是有限的。只有当两个或若干个同步观测的观测站的距离不大于20km时, 上述GPS观测误差具有强相关性, 同步观测求差法可以很好的将其消除。但当距离较大时, 这些误差的相关性就明显减弱;且对于对流层、电离层等的残差项, 将随着距离的增加而增大, 从而也导致难以正确的确定整周模糊度。因此, 同步观测求差法得到结果的精度也明显降低。

(5) 如当两站间的距离大于50km时, 一般的GPS或者RTK的单历元解只能达到分米级的精度。因此, 为了获得高精度的定位结果就必须采取一些特殊的方法和措施。于是GPS网络RTK技术就产生了。

(6) GPS网络RTK技术的优势就是克服了普通RTK测量中测站间距的限制, 它的有效距离可以达到几十甚至上百公里, 覆盖面广阔, 但定位精度仍然可以达到厘米级, 可靠性强。这也是CPS网络RTK技术能够很快发展的原因之一。

(7) GPS网络RTK技术利用的是差分CPS技术, 包括次差分和二次差分, 选择的仪器是双频GPS接收机, 采用的技术手段是同步观测法, 因此, 它可以消除和减弱大部分的系统误差。如, 接收机钟差、卫星钟差、卫星轨道误差等, 而对流层延迟和电离层延迟也都可以得到大幅度的削弱。

GPS网络RTK技术出现以后, 很快在实际中得到应用。它已不仅仅属于GPS的范畴, 而是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统。

摘要：本文基于笔者多年从事城市测量相关工作经验, 以笔者参与的重庆某工业园区工程测量项目为工程背景, 探讨了RTK技术在城市工程测量中的应用思路, 全文基于具体实例详细论述了城市工程测量的具体流程和需要注意的细节, 是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 能直接用于指导实践, 也相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：GPS,RTK,城市工程测量,基准站,测区转换参数