GPSRTK在地籍测量中的可靠性探讨

2022-09-10

地籍测量工作是一项系统性强、工序复杂、精度要求较高且数据处理量很大的工作。仅一个普通县城的地籍测量可能需要几百个一、二级加密点, 而图根点可达上千个, 这样的工作量若采用常规的导线测量方法, 效率十分低下, 部分控制点的精度还不能得到保证。

GPS RTK技术是GPS定位技术的重大突破, 它使GPS技术的应用领域、应用层次和应用方向都发生了显著的变化。目前, RTK技术广泛应用于地形图测绘、工程放样、控制测量等方面, 得到了很快的普及和发展。然而RTK技术也有自身的弱点甚至缺陷。相对传统测量通过对每个环节和过程的控制来提高结果的可靠性, RTK的观测、计算、检核及误差处理高度集成, 它更多地属于结果控制。鉴于此种情况, 我国还没有颁布有关R T K测量的国家或行业规范, 但各科研和作业单位在提高RTK作业的可靠性和精度上已做了许多有益的探索。本文将根据国土二调的实例对RTK观测结果的可靠性进行一些探讨。

1 GPS RTK的工作原理

RTK是GPS实时载波相位差分的简称。它是将GPS技术与数据传输技术相结合, 实时进行数据处理, 在1~2秒时间内得到高精度的位置信息。其工作原理可分为以下两方面。

1.1 实时载波相位差分

使用两台RTK接收机 (一台基准站, 一台流动站) 同时接收卫星数据, 基准站通过电台把所接收的载波相位信号或载波相位差分信号发射出去;流动站在接收卫星信号的同时也接收基准站的电台信号;并使机内的固化软件对这两种信号进行差分计算, 得到基准站与流动站之间在WGS84坐标系下的基线向量 (△X, △Y, △Z) , 从而精确地确定出基准站与流动站的空间相对位置。在这一过程中, 由于观测条件、信号源、差分计算模型等方面的影响, 测量结果中会带有误差。目前主流的RTK仪器标定误差为平面1cm+1ppm, 高程2cm+1ppm。

1.2 坐标转换

WGS-84坐标系下的坐标并不是我们要的最终值, 因此还需要对流动站所测出的这些三维坐标进行转换, 纳入到我们需要的高斯平面直角坐标系中。坐标转换有多种模型可以实现, 对于较小的区域, 常见的方式是四参数转换。即利用流动站测量2个以上的已知控制点, 将观测得到的WGS-84坐标投影转换为以WGS-84椭球为基础的高斯平面直角坐标, 再使用这些点的两套平面坐标计算二维相似变换的四参数, 最后利用四参数去转换其他的R T K测量点。高程则根据观测的已知高程点数分别采用平移或平面拟合方法, 利用已知点水准高和观测的大地高计算高程异常或拟合参数, 求出水准高程。坐标转换也会带来误差, 该项误差主要取决于已知点的精度、已知点的分布情况和转换点与已知点围成区域的距离。

2 GPS RTK地籍图根点的可靠性及分析

GPS RTK的可靠性表现在两个方面: (1) 可靠的观测。 (2) 可靠的坐标转换。在不考虑观测时其他人为误差的情况下, 前一方面主要用于保证移动站与基准站之间相对位置的可靠性, 进而保证不同观测点之间相对位置的可靠性, 后一方面用于保证观测点在特定坐标系中绝对位置的准确性。

2.1 R T K测量地籍图根点实例及统计

按照误差理论, 凡是超过限差的误差称谓粗差, 出现粗差的观测即是不可靠的。对地籍测量而言, 要求图根点相对最近的已知点的点位误差的限差是5cm。由于GPS RTK是通过观测移动站与基站之间的三维坐标差来确定观测点的坐标, 再通过坐标转换把点位纳入特定的高斯平面直角坐标系, 这两个过程都并不涉及各观测点之间的相对位置, 在观测时显示的点位误差 (HRMS) 是观测点相对基站的误差。因此, 为了保证地籍测图的可靠性, 同时评估验证RTK图根点之间相对位置的可靠性和精度, 我们在第二次全国土地调查的地籍测图时对测站点与定向点和邻近检查点观测坐标进行检验, 以保证图根点的可靠性。共检验368个RTK图根点, 按误差区间统计如下: (见表1)

从表1可看出, 在所检验的368个城区RTK图根点中, 有13.8%超限, 可靠性为86.2%, 低于一些相关资料中的95%的可靠性。为了查明产生粗差的原因, 把51个粗差点展在图上, 对它的分布情况进行了统计分析。

(1) 51个点并非均匀分布, 除6个点属零星分布外, 其余45个大致呈线状和块状分布, 相对集中。

(2) 呈线状分布的点误差绝大部分分布在5cm~20cm;而误差大于20cm的点大部分为块状分布, 少部分呈零散分布。

(3) 从分布位置的实际地形看, 线状分布地区为街道或住宅小区的道路, 两边有较高的建筑物分布;而块状分布的地区多为新建住宅小区, 建筑物高大且较为密集。

2.2 产生粗差的原因分析

2.2.1 多路径效应

R T K观测中伴随着多种误差, 其中同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素影响等, 最严重的是多径误差。当测站天线周围有高大建筑物或大面积水面时, 天线所接收的信号由卫星直接发射的信号和反射体反射的信号叠加构成, 使定位产生误差。通常情况下, 多路径误差为1cm~5cm, 高反射环境下可达10cm以上, 特别严重时还可产生周跳或使卫星失锁, 且多径误差的大小变化常以5~20分钟为周期性发生变化。在静态GPS观测中, 多路径效应可随着观测时间的增加而被大部分消除, 而对观测时间很短的RTK测量而言, 精度将受到较大影响。

本次粗差点的误差大小和区域分布统计基本符合上述规律, 在街道和其他道路, 由于有两个方向的相对较宽的观测空间, 在某些时段可见卫星大于4颗且有一定得图形强度, 观测时整周模糊度依然可得到固定解, 精度因子也满足要求, 观测点坐标可正常测出, 但由于受到比较严重的多路径效应的影响, 产生了5cm~20cm的误差, 少数受影响严重的观测点, 还可能出现更大的粗差。

2.2.2 卫星频繁失锁, 使整周模糊度的解算发生错误

当RTK观测位置位于高大建筑物数量较多且分布较密的住宅小区、工业厂区等区域时, 由于建筑物遮挡, 移动站在移动过程中会频繁出现卫星失锁及电台信号中断的情况, 此时, 移动站需要不断地重新探测整周模糊度的固定解并进行相位差分计算, 相当于重新进行初始化。这样的观测条件加上强烈的多路径效应, 即使观测点的位置本身能满足RTK的观测条件, 当移动站移动到此处, 在较短的观测时间内, 双差固定解的可靠性将大大降低。

2.2.3 电台数据传输不稳定

进行R T K测量时, 流动站需要实时地接收基准站的观测值及相关数据进行差分计算, 才能求待定点的位置。由于信号遮挡, 会导致信号衰减和失锁。因此, 能否连续可靠地接收基准站电台播发的信号, 是RTK观测能否达到精度的决定因素。目前, R T K电台一般采用U H F方式播发差分信号, 其频率大约为450MHz~470MHz。根据电磁波理论, 这只传播方式属于一种视距传输, 即要求电台与接收机之间准光学通视, 其最大的传输距离和信号质量是决定于发射及接收天线的高差、传输途中地形地物、地球曲率半径以及大气折射等因素。因此, 对于平地和海域等开阔地区效果较好;而在城区、山地、森林等地区, 其成果质量及作业效率将受到一定影响, 甚至无法进行作业。

在城市的一些不利于R T K观测的地区, 上述三种影响常常同时发生, 使粗差发生的概率大大增加。在前面的RTK图根点误差分布统计中, 误差大于20cm的观测点, 有近一半的点误差较大, 部分达到米级, 个别点甚至为百米级, 根据这类粗差大小可以推定, 观测时整周模糊度的解算是不正确的。

2.2.4 坐标转换参数的误差。

坐标转换参数的影响因素有:参加参数计算的控制点的点位误差、RTK观测点与校正点构成区域的相对位置、坐标转换参数计算方法等。由于RTK观测电台信号传输距离的限制, 同一基站的测量面积不会很大, 因此, 对于图根级精度的RTK观测一般采用四参数转换即可满足要求。在确保已有控制点精度的情况下, 四参数误差对RTK观测点的影响主要取决于以下两个因素。

(1) 参与四参数计算的点数 (2点或3点) 及校正点之间的距离。

(2) 观测点与校正点构成区域的距离远近。

为说明以上观点, 我们以一个四等GPS控制网为基础, 分别用3个已知点和4个已知点求解四参数, 然后按距校正区域的距离远近选择4个点进行转换。试验数据表如表2。

从表2可看出, 随着转换点与校正点构成区域的距离逐渐增大, 转换后的坐标与静态GPS点的坐标差也在增加, 但使用3点计算的四参数比使用2点计算的四参数所引起的误差更小。当RTK观测点与校正点构成区域距离达到2800m时, 2点校正的坐标转换误差已不能满足地籍测量的要求, 而3点校正的误差依然在限差之内。上述四参数的计算中使用的都是静态GPS坐标, 若使用R T K的观测坐标, 考虑到R T K的观测误差, 四参数的精度将下降, 转换误差会更大, 有效观测区域会更小。

需要注意的是如果表三中求解四参数的各点之间的间距或边长较小, 则表中不同距离对应的点位误差会迅速增加, 即用于计算四参数的控制点之间的边长越短, RTK观测点在校正点构成区域外的扩展距离越小。

在本次地籍图根点的测量中, 由坐标转换参数误差引起图根点点位误差较大的情况也是存在的, 主要表现为使用RTK去远离校正点构成区域的地方补测图根点, 后来在测图作业中发现这些点与原测RTK图根点的相对误差偏大。

3 提高GPS RTK可靠性的方法

(1) 选择地势开阔、位置较高的位置架设基站, 以减少RTK电台信号传输中的衰减速度, 增强信号传输的稳定性。依据电台与接收机之间准光学通视的原理和工程实践, 基站架设于城区较高楼顶并非最佳选择, 在5km距离内, 把基站架设于作业区内或作业区外一些空旷的高地观测效果更好。

(2) 使用3点校正求解四参数, 可减小转换参数的误差并获得更大的作业半径。另外, 3点校正也可使RTK高程测量的拟合模型采用平面拟合而非平移高程基准面, 精度更高。只有作业区域在校正点附近时, 才能使用2点校正, 且必须用第三点检查。

(3) 为减弱多路径效应的影响, 对于高大建筑物较多的作业区, 适当增加观测时间, 并进行重复观测。

(4) 对于建筑物高大且密集的地方, 即使观测条件满足, 也应至少使移动站进行两次初始化, 比较观测结果。若差值超限, 进行第三次初始化, 再次观测。

(5) 根据卫星星历或作业实践, 选择卫星数较多且高度角较大的时段进行观测, 尽量不要把移动站的卫星高度角设置为零, 这样做虽然可使一些观测条件较差点获得成果, 但观测误差较大, 可靠性降低。

(6) 对于部分不能获得观测条件的点, 不要强制进行观测, 可考虑应用一些传统测量方式加以弥补。

4 结语

R T K观测的可靠性并不是一成不变的, 而是随着观测条件的差异而有很大的不同。由于地籍测量的高精度和高可靠性要求及特殊的作业位置, 使得GPS RTK这一新技术的缺点被凸显出来。但是, RTK依然代表了测绘发展的一大方向, 它的巨大优势是传统测量无法比拟的。只要采取适当的观测方法和检核措施, 就能提高RTK观测成果的可靠性和精度, 将使RTK技术在地籍测量中发挥更大的作用。

摘要：GPSRTK测量需要足够的卫星数和稳定的电台信号, 而在城镇地籍测量中, 这两个条件常常不能得到很好的满足。RTK的观测、计算、检核及误差处理高度集成, 不能通过对中间过程进行控制来提高观测结果的可靠性。本文通过对工程实例的数据分析, 探讨了RTK测量粗差产生的原因, 提出了提高可靠性的措施。

关键词：RTK,可靠性,粗差