基于RTK技术的工程测量研究

全球定位系统(GPS)自问世以来,作为测量定位新技术,广泛应用于陆海空领域的导航和定位测量,在大地测量及工程测量应用领域中产生了前所未有的影响。随着G P S技术不断发展,其应用已遍及各种测量领域,特别是G P S实时动态差分R T K(Real-Time-Kinematic)技术的迅速发展和完善在常规测量领域里越来越得到广泛的应用。

1 RTK的工作原理

实时动态差分R T K测量系统,是G P S测量技术与数据通讯传输技术相结合而构成的系统。RTK差分技术目前有3种方法:坐标差分、伪距差分及载波相位差分。而采用载波相位为基本观测量的差分定位方法是目前G P S定位中精度最高的一种方法,其相对定位精度可达1 0~1 p p m以上。

R T K(系统的最低配置可包括三部分:(1)基准站接收机;(2)流动站接收机,包括支持R T K的软件系统;(3)数据链,包括基准站的发射电台及流动站的接收电台。R T K的作用距离很大程度上取决于数据链,一般可达1 0 k m~4 0 k m左右,当使用G S M通信网络作为数据链时,其作用距离更长,目前最大可达7 0 k m。

作业时基准站接收机设在有已知坐标的参考点上,连续不断接收G P S卫星信号,并将测站坐标观测值(伪距和相位的原始测量值)、卫星跟踪状态及接收机工作状态等通过发射电台发送出去,流动站在跟踪G P S卫星信号的同时接收来自基准站的数据,通过最小二乘搜索法OTF(On the fly)解求载波相位整周模糊度,再通过相对定位模型获取所在点相对基准站的坐标和精度指标。O T F算法是目前仪器厂家普遍采用的技术,它可以使得R T K的初始化在几分钟乃至几秒钟内完成,而无需让仪器进行以往的静态初始化。

采用O T F算法技术的双频载波相位R T K,经过几至十几秒钟的O T F初始化即可达到厘米级的测量精度。R T K测定点位坐标的时间一般为2 s~1 0 s,目前市面上仪器的测量标称精度一般可达平面1 c m±1ppm,高程为2cm±1ppm。且具有如下测量功能。

(1)测定点位的坐标,并显示坐标精度。(2)实时进行点、线的放样,结果及图形实时显示。(3)实时记录运动轨迹、导航。(4)求解坐标转换参数。(5)失锁后重新快速动态初始化。

2 测量的误差源及局限性

(1)GPS误差源。GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三类。(1)与卫星有关的误差。主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等;(2)信号传播误差。主要为电离层影响、对流层影响、多路径效应的影响等;(3)观测设备和接收设备即仪器误差的影响也很大。

通常可通过采用适当的方法减弱或消除上述误差的影响。

(2)RTK的误差源。(1)基准站点位精度的影响;(2)模糊度解算误差;(3)动态基线解算误差;(4)坐标系统转换误差;(5)天线对中等人为产生的误差。

其中(2)(3)项的解算,程序已被编入主机,其误差已得到了控制,坐标系统转换误差在于如何解算坐标转换参数。因此,外业过程中特别注意气泡居中,减少偶然误差,消除人为误差,以提高精度。

(3)局限性。(1)在树木茂密及城市高楼地区,G P S信号受到遮挡,无法作业;(2)数据链受发射功率及地形障碍物阻挡影响,致使R T K作用距离有限,一般丘陵地区,城区为5 k m;(3)数据链容易受到干扰,距房屋、树木较近处信号接收较困难。在稍有树木遮挡的地方需几十分钟才能测定坐标。

3 RTK在测量工作中的应用

3.1 RTK用于地形测量

由于R T K测量随时都能显示当前位置的三维坐标,因此可利用R T K来测量地形地物点,并记录该点的序号和特征值,内业采用数字化成图软件,实际作业中对独立地物的测量序号应尽量连续,如测量房屋,应围绕房角至少测2个(对角线)或3个点,测量池塘要连续测完,并注明从x x~x x详细代为何地物,和现场勾画草图。外业结束后,再根据草图绘制地形图。由于采取勾绘草图与清绘为同一个人,对自己所测过的点都十分清楚,很容易把一天所测绘地形地物进行成图。

3.2 RTK用于控制测量

由于R T K测量在20km内点位平面标称精度为±3 c m,根据控制测量规范要求Ⅰ级导线点的点位误差为±3 c m,从理论上讲R T K测量完全可以满足Ⅰ级以下导线点的技术规范要求。

在某工程道路放桩RTK测量中,我们对距离基准站1km~6km的一些四等GPS控制点采用一点法进行检核比较,结果表明平面坐标分量最大差值为3.1 c m,高程最大差值为4.9 c m,完全符合Ⅰ级导线点的规范精度要求。

在某工程1∶1000数字地形图测绘任务中,测区长约7km,宽0.7km,面积约5km2。整个测区采用Ashtech Z-X双频GPS接收机用静态法共布测了5个四等G P S点,2 1个一级G P S点,点位均匀分布,最弱点点位中误差为(Mx:4.0cm,My:3.9cm),并联测了四等水准高程。为了进一步检核Ashtech Z-X双频GPS系统的测量精度,采用G P S控制点联测法均匀地检测了其中12个GPS控制点,基准站设在测区中间。其X坐标中误差为±3.1 c m,Y坐标中误差为±2.3 c m,H高程中误差为±5.0 c m,结果完全可满足Ⅰ级导线点(5″以下)的规范精度要求。

尽管G P S测量的标称精度及实测精度完全满足Ⅰ级导线点5″点以下的规范精度要求,但目前的规范对利用G P S测量进行Ⅰ级导线甚至更高的精度的控制测量,其采集数据的方法,数量等等还没有明确的规定,因此还需要用大量的实践来证实。实际测量中还必须采取足够的检核手段,确保测量的确性。

4 应用RTK作业应注意的问题

(1)GPS作业由于每个测点都是独立的观测量,缺乏相关联的检核手段。因此,在作业前后,在测区内找均匀分布的已知控制点进行检核,是目前较好的检核手段。(2)坐标转换方法,如控制联测法,单点法等所测量的点位精度不同,作业时应依据任务要求,测区大小使用不同的方法。(3)R T K采用V H F超高频无线电波做数据链,容易受到电信发射塔。无线电台。高压电以及地形起伏条件的影响、因此,基准站应尽可能远离干扰源,并位于地势高处,对天条件要好。

摘要：本文基于笔者多年从事工程测量的相关工作经验,以RTK技术在工程测量中的应用为研究对象,从RTK技术在工程放样测量,水下地形测量,地形测量及控制测量四个方面对这一问题进行了探讨,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,能直接指导工程测量实践,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：RTK技术,工程测量,控制测量,地形测量,水下地形测量