我国工程测量中GPS-RTK技术剖析

　　摘要：本文结合作者自身多年现场实践，简要介绍了GPS—RTK技术基本原理及构成，以矿山测量为例阐述了GPS—RTK技术在我国工程测量中的应用，分析了GPS—RTK技术具体应用中的优势和优点，并就RTK技术在实际应用中遇到的问题提出有益的见解。
　　关键词：GPS—RTK，工程测量，精度分析
　　GPS技术主要有静态定位技术、实时动态定位技术(GPS—RTK)、网络实时动态定位技术
　　(NetworkRTK)、广域差分技术(WADGPS)、全球动态定位技术(GlobalRTK)等。本文主要介绍实时动态定位技术(GPS—RTK)在矿山测量中的应用。GPS—RTK技术应用于矿山测量工作中，主要用于矿区控制点加密，地形测量，钻孔、剖面点、探槽、探井、坑口、取样钻孔、地质点、近井点、坑口位置点的坐标放样与求测，工程作业调度，地质填图等。
　　1GPS—RTK系统原理及构成
　　1.1基本原理
　　RTK测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS(RTDGPS)测量技术。实时动态测量的基本原理是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，
　　并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电传输设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标，其精度可达到厘米级。这样通过实时计算的定位结果，便可监测基准站与用户站观测结果的质量和解算结果的收敛情况，从而可实时地判定解算结果是否成功，以减少冗余观测，缩短观测时间。
　　1.2RTK测量系统的构成
　　RTK测量系统主要由GPS接收设备、数据传输系统和软件系统构成。
　　(1)GPS接收设备
　　在基准站和用户站上，分别设置双频GPS接收机。由于双频观测值不仅精度高，而且有利于快速准确地解算整周未知数。当基准站为多用户服务时，其接收机的采样率应与用户接收机采用率最高的相一致。
　　(2)数据传输设备
　　数据传输设备也称数据链，由基准站的无线电发射台与用户站的接收机组成，其频率和功率的选择主要取决于用户站与基准站的距离、环境质量、数据的传输速度。
　　(3)软件系统
　　支持实时动态测量的软件系统的质量和功能，对于保障实时动态测量的可行性、测量结果的可靠性和精确性，具有决定性意义。这种软件系统突出的功能是能够快速解算整周未知数，能选择快速静态、准动态、和实时动态等作业模式，实时完成对解算结果的质量分析和评价。
　　2GPS技术在矿山测量中的作业流程
　　2.1内业准备
　　在实施GPS外业测量前，应事先对测区进行踏勘，根据矿山测量的特点完成内业的准备工作，主要包括以下几个方面的内容：
　　(1)根据工程项目，设定工程名称；
　　(2)参数设置：基准站的数据采样率一般为4～5S，流动站的数据采样率一般为1～2S，高度截止角通常设定为10度。
　　(3)若已知坐标转换参数，则输入手簿。
　　(4)实施工程放样前，内业输入每个放样点的设计坐标、线路方位角，以便野外实时、准
　　确放样。
　　2.2求定测区转换参数
　　矿山测量是在北京坐标系或独立坐标系上进行的，这就存在WGS一84坐标与北京坐标系或独立坐标系的坐标转换问题。由于RTK作业要求实时给出当地坐标，这使得坐标转换工作非常重要。
　　(1)对于较大型的测区事先测定转换参数，在RTK作业时，直接输人参数和基准站坐标。
　　利用高等级控制点同一点的2种坐标求出的转换参数。
　　(2)也可在RTK作业时临时求得转换参数。首先在对空视野开阔的地方设立基准站并采集单点定位WGS一84坐标，然后流动站联测3个以上的高等级的控制点，求解坐标转换参数。
　　2.3基准站的安置为保证观测的精度和提高工作效率，基准站的安置应满足下列条件。
　　(1)基准站可设立在精确坐标的已知点上，也可设立在条件较好的未知点上；
　　(2)基准站安置应选择在地势较高、通视无遮挡、电台有良好覆盖区域的地方，首选是测
　　区中央地区。
　　(3)为防止多路径效应和数据链的丢失，基准站200米范围内应无高压电线、电视差转台、无线电发射台等干扰源，周围应无GPS信号反射源。
　　(4)基准站电台的天线应架设在GPS接收机主机的北方。因为南北极附近是卫星的空洞区。
　　2.4GPS—RTK施测及放样
　　在测区首级控制的基础上，利用点校正方法，求解坐标系统转换参数；选择对天通视较
　　好，四周无各种强电磁干扰源的地方设置基准站。当测区可见GPS卫星数在5颗以上、PDOP
　　值小于6时，一般只需5～15秒就可完成初始化而得到固定解。每台移动站只需一人即可进行测量作业，每次开始作业应对已知控制点进行检查，确保系统无误后，应用GPS电子手簿即可进行地形地物点、勘探坑道的采集或勘探线剖面、勘探工程点的放样作业，每点采集记录时间约1～10秒。实时动态RTK数据处理相对简单，外业测量采集的实测坐标通过手簿的数据传输系统，直接下载到计算机内。可进行图形编辑，也可经整理、分类、判断形成文件后直接打印出来。在勘探工程点放样上，RTK同样能实时地提供导航数据，不仅可以使你快速找到点位，而且能提供定位精度。如在勘探线上加放点和测点，依据GPS电子手簿显示的定线导航数据同样能使你快速上线。利用GPS-RTK放样，无需对讲机传递导航数据和方向，GPS电子手簿导航画面让你轻松快速上点、上线，极大提高了工作效率，减轻了测量人员的工作强度。
　　3RTK应用及定位精度分析
　　某矿区地势起伏不大，天空开阔，除个别地方外对RTK作业无大的影响。该工程控制测量、勘探剖面线、勘探工程点的放样均采用RTK作业。重复测量同一控制点的坐标较差统计表，见表1。相邻观测点间全站仪实测和RTK实测距离抽样检查比较，见表2。
　　表1重复测量同一控制点的坐标较差m
　　点号 ⊿X ⊿Y ⊿Z
　　GPS3 0.009 0.004 0.004
　　GPS10 0.007 0.003 0.005
　　N1 0.012 0.002 0.009
　　N8 0.005 0.003 0.008
　　N21 0.010 0.002 0.006
　　N35 0.004 0.011 0.012
　　
　　
　　
　　
　　表2相邻观测点间全站仪实测和RTK实测距离较差m
　　点号 全站仪实测距离 RTK实测距离 较差
　　5 6 110.235 110.231 0.004
　　10 11 85.638 85.632 0.006
　　11 12 165.700 165.707 0.007
　　20 21 115.657 115.649 0.008
　　29 30 195.623 195.612 0.011
　　
　　从上表来看，RTK测量既可以实时提供点位坐标和高程，又可实时知道测量点位精度，能够较大地提高工作效率。同时从测量结果来看，RTK测量点位精度可达厘米级，完全能够满足矿山测量的需要。
　　4RTK技术的优点
　　(1)传统测量外业容易受到地形、气候、季节等诸多因素的影响，使测量精度、作业速度都受到很大限制，在能见度低，通视条件差的情况下，有些测量作业根本无法进行。而GPS—
　　RTK技术，解决了这个问题。
　　(2)定位精度高，数据安全可靠，测站间无需通视。
　　在没有已知基准点或基准点被破坏而造成的控制点不足的地区和由于地形复杂、地物障碍而造成的通视困难地区能快速的、高精度定位。
　　(3)综合测绘能力强，作业集成度高，易实现自动化。
　　可胜任各种测量内、外业工作。基准站能够为不同用户提供多项信息输出，流动站利用内置软件控制系统，在作业时，无需人工干预便可进行整周未知数的动态初始化解算，使辅助测量工作极大减少，作业精度也自动控制和记录，从而使自动化作业指挥系统的建立成为可能。
　　(4)操作简便，对作业条件要求不高，数据传输、处理、存储能力强，与计算机、全站仪
　　等测量仪器通信方便。
　　(5)作业人员少，定位速度快，综合效益高。
　　GPS接收机仅需一个人操作，在待测点等待l-2秒即可获得该点的坐标，外业效率高；内业便于计算机处理，节省了时间和人力。
　　5RTK技术存在的问题与对策
　　虽然RTK技术在矿山测量中有较广阔的应用前景，但是由于矿区特殊的环境，存在一些不利于RTK作业的因素，如山谷和森林等。在应用中，就发现一些测量过程中的一些问题：
　　(1)各观测值都是独立观测的，仪器是否处于正常状态，观测的数据是否可靠？在开始观测前、观测一段时间、观测结束前或仪器失锁都要联测已知点进行比对，以确定基准站和流动站参数是否设置正确，数据链通讯是否正常。
　　(2)集森林区、不能被卫星很好地覆盖地区：高山峡谷深处、密高楼林立区，RTK的使用受到限制，应配合航空摄影测量和常规测量方法。
　　(3)高程异常值问题，RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转
　　换至海拔高程的工作变得相对困难，精度也不均匀。应尽量在测区分布均匀的控制点上联测，求得较精确的高程转换参数。
　　(4)在测量过程中，有时会出现在某个时间段或区域内解算时间较长，有时甚至无法获取固定双差解。这是可适当的提高高度截止角或删除个别卫星。
　　(5)电力供应问题需要多块大容量电池、电瓶才能保证连续作业，在电力供应缺乏或偏远作业区作业时要做好充分准备，必须带足备用电池、电瓶。
　　6总结
　　在科学技术飞速发展的今天，GPS—RTK技术给测绘工作带来了革命陛的变化，它改变了传统的测量模式，它能够实时完成厘米级定位精度和在不通视的情况下远距离测量坐标，它具有需要的测量人员少、速度快、不需要同时观测、精度高等特点，能够极大地提高工作效率。但是它的作业方式是依赖于有足够的卫星数、稳健的数据链等外界条件，在矿山测量中显得很突出，有时会出现无法正常作业的情况，这就需要不断完善GPS—RTK技术，寻求先进的作业方式。随着CORS参考站的建立，GPRS和CDMA技术的应用，RTK技术将不断成熟，必定会更好的服务于矿山测量。