关于为削弱GPS RTK误差而采用双参考站方法施测的探讨之智能科学技术论文

　　[摘要]本文智能科学技术论文分析了影响GPSRTK施测精度的误差来源，阐述了采用双参考站进行GPSRTK测量的方法，并通过工程实例证实该精度指标的可靠，供同行参考。
　　[关键词]GPSRTK，双参考站
　　1论文前言
　　高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。RTK技术是建立在流动站与基准站误差强相关这一假设的基础上的。当流动站离基准站较近（不超过10km）时，上述假设一般均能较好地成立，此时利用一个或者数个历元的观测资料即可获得厘米级精度的定位结果。为了提高测量的精度，本文研究了GPSRTK施测精度的误差来源，通过对国内某地1:500竣工规划验收地形图图根点施测的实例，阐述GPSRTK进行双参考站测量的方法在测量数据精度提高方面的有效性。
　　2RTK工作原理及模式
　　RTK系统的最低配置可包括基准站接收机、流动站接收机，支持RTK的软件系统和数据链三个部分。如图1所示。RTK是实时动态测量，其工作原理可分为以下两部分阐述。
　　图1RTK工作原理及模式
　　2.1实时载波相位差分
　　我们知道，GPS静态测量的方法是各个接收机独立观测，然后用后处理软件进行差分解算。那么对于RTK来说，仍然是差分解算，只不过是实时的差分计算。也就是说，两台接收机（一台基准站，一台流动站）都在观测卫星数据，同时，基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号（或载波相位差分改正信号）发射出去；在此基础上，流动站上的固化软件就可以实现差分计算，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。在这一过程中，由于观测条件，信号源等的影响会有误差，对于部分仪器来说，高程上由于受到电离层以及对流层的影响较大，精度略逊。
　　2.2坐标转换
　　空间相对位置关系不是我们要的最终值，因此还有一步工作就是把空间相对位置关系纳入我们需要的坐标系中。也就是说，要通过坐标转换把GPS的观测成果变成我们需要的坐标。这个工作有多种模型可以实现。利用已知水准点计算出该测区的待测点的高程异常，从而求出他们的高程。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和已知点的分布情况。
　　3影响GPSRTK定位精度的误差来源
　　在实际作业过程中，我们将影响GPSRTK定位精度的因素按误差来源的不同可以分为两大类，即与外业测量有关的测量误差和与数据处理有关的处理误差。
　　3.1与外业测量有关的误差
　　（1）基准站精度和作业环境
　　根据GPSRTK的工作原理，如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都会带有系统偏差。联测的已知点尽量采用已建成的国家高等级GPS点、三角点或在一个控制网内经过统一平差的GPS点。如果没有已知点可联测，基准站必须先进行单点定位（位置校正），测定WGS-84坐标一般取10min以上的观测数据。
　　基准站位置的选择受到周边环境状况的制约，特别是多路径效应的影响尤为明显。周边明显的障碍物和大功率无线电发射台、变电站、飞机场、高压线等无线电干扰源会对GPS的信号造成影响；大面积水域、有平整表面的高达建筑物容易对GPS信号造成多路径效应的影响。
　　（2）数据链传播系统
　　要使RTK连续快速地获得固定解，就必须使RTK流动站连续、可靠、快速地接收到基准站发来的数据信号，数据链传输的高可靠性和抗干扰性主要受地形地势的影响。RTK采用超短波进行差分数据传送，这个波段主要是超高频UHF和甚高频VHF波，UHF波长为0.1～1m，VHF波长为1～10m。UHF的波长短，因此UHF的天线长度比VHF天线更短，发射机天线更便于安装，小巧的天线便于野外作业，所以当前的RTK通信主要采用UHF波。总之，最佳通信系统是最佳发射机、接收机和通信路径的有机组合，研究RTK数据链的性能必须三者综合考虑，才能将RTK数据传输性能设置到最佳状态。
　　（3）流动站天线姿态误差
　　RTK动态作业时载体瞬时姿势改正精度将是重要的误差来源。进行动态观测作业时，由于受到各种因素的影响（风、人员疲劳、生产进度要求等），不能保证流动站单杆的完全竖直。在待定点上无法实时确定天线动态瞬时姿态，这对RTK测量精度的影响是较大的，这就要求观测人员要认真负责，在观测时应让侧杆上的水准泡尽量居中，以减小因天线姿态引起的误差。
　　3.2与数据处理有关的处理误差
　　（1）坐标参数转换误差
　　我们通常采用的坐标系是国家坐标系或地方坐标系，这就需要求解WGS－84坐标系与这些坐标系之间的转换参数。坐标转换参数的误差是RTK作业的主要误差来源之一，将某个标准坐标系下的坐标转化到地方坐标系，通常包括X移常数、Y平移常数、尺度比、旋转角这几个转换参数。求解转换参数，通常有四参数法和七参数法。四参数的测量精度随GPS卫星姿态的调整而有相应的变化，需要特别注意的是参予计算的控制点原则上至少要用两个或两个以上的点，控制点等级的高低和分布直接决定了四参数的控制范围。七参数计算时至少需要三个公共的控制点，且七参数和四参数不能同时使用。七参数的控制范围可以达到10公里左右。由于地球动力学的原因，受ITRF制约的WGS-84坐标系是不断变化的，工作时期不同，同一测区的转换参数也要根据最新的坐标成果求解。
　　（2）模糊度解算误差
　　要确定整周模糊度，必须有适合的PDOP值。如果卫星高度角低则会造成初始化时间较长，即使无线电接收良好，跟踪的卫星数目也足够，同样会造成PDOP值大，信噪比低，卫星信号极不稳定，容易失锁。一般RTK测量中PDOP值不应大于6。另外，基准站与流动站的距离越近，求得的固定解越稳定，精度越高。
　　此外，数据计算的数学模型误差、拟合内插误差、动态基线解算误差和流动站内存软件模型误差也会对RTK数据的处理造成影响。
　　4GPSRTK双参考站测量的原理、方法及精度指标
　　4.1GPS双参考站测量的原理和方法
　　根据误差分布曲线我们可以知道，当观测次数愈来愈多，误差出现在直方图各个区间的相对个数的变动幅度就愈来愈小，当观测的个数n具有足够大时，误差在各个区间出现的相对个数就趋于稳定。这就是说，一定的观测条件，对应着一定的误差分布。在实际测量工作中，我们常常对一系列被观测量各进行两次观测，根据同精度双观测值的差数求观测值中误差。按中误差定义公式得出两次采集数据差数△Si的中误差md为
　　所以观测值的中误差m为
　　针对GPSRTK单参考站作业方式直接发展图根点时，如果观测条件不好，点位的坐标成果可能出现粗差情况，采用GPSRTK双参考站作业方式发展图根点，以减小粗差，提高成果精度。在布设图根控制点的测量区域内，进行两次设站，测量同一组图根点，两次设站保证使用不同的已知点架设基准站或者采用不同的已知点进行点位校正。在观测时，为了减少流动站天线姿态误差，要求观测人员的态度要认真负责，让侧杆上的水准泡尽量居中，以减小因天线姿态引起的误差。
　　将两次GPSRTK测量的数据传入计算机，通过Excel表的计算，得出两次测量的X、Y坐标的坐标差△X、△Y，最后计算出位差△S。
　　4.2精度指标
　　采用GPSRTK双参考站作业方式，要求图根点测量的采样率为1秒。根据相关规范及技术规定的要求，图根级点的单参考站在固定解状态下接收卫星信号不低于2分钟，接收历元不少于120。其GPS流动站与已知高级点的点位校正，平面位置相差不得大于图上±0.2mm。不同参考站对同一测点的检验，平面位置相差△Si不得大于图上0.3mm。
　　＝0.3mm
　　为图根点点位中误差的限差。根据相关规范，为图上0.1mm。
　　5工程应用
　　在对国内某地1:500竣工规划验收地形图图根点施测的过程中，我们通过双参考站测量的方法，分别得到一组图根点的两组数据，通过计算求出坐标差以及位差见表1。
　　表1RTK测量图根点坐标计算表单位:m
　　点名 第一次测量坐标 第二次测量坐标 坐标差 位差
　　 纵坐标 横坐标 纵坐标 横坐标 纵坐标差 横坐标差 
　　 X1 Y1 X2 Y2 △X △Y △S
　　A1 2438866.768 104571.950 2438866.765 104571.943 0.003 0.007 0.008
　　A2 2438943.590 104523.517 2438943.597 104523.514 -0.007 0.003 0.008
　　A3 2439006.059 104482.524 2439006.054 104482.518 0.005 0.006 0.008
　　A4 2439090.652 104446.361 2439090.643 104446.367 0.009 -0.006 0.011
　　A5 2438990.627 104269.682 2438990.621 104269.670 0.006 0.012 0.013
　　A6 2439160.927 104288.323 2439160.921 104288.309 0.005 0.014 0.015
　　A7 2439158.604 104584.502 2439158.608 104584.514 -0.004 -0.012 0.013
　　A8 2439103.608 104699.872 2439103.602 104699.875 0.006 -0.003 0.007
　　A9 2439367.984 104699.692 2439367.989 104699.698 -0.005 -0.006 0.008
　　A10 2439361.416 104545.615 2439361.410 104545.618 0.006 -0.003 0.007
　　A11 2439362.513 104318.385 2439362.515 104318.378 -0.002 0.007 0.007
　　A12 2439435.056 104455.803 2439435.047 104455.819 0.009 -0.016 0.018
　　A13 2439481.950 104472.817 2439481.943 104472.805 0.007 0.012 0.014
　　A14 2439533.700 104494.705 2439533.704 104494.709 -0.004 -0.004 0.006
　　A15 2439579.558 104516.852 2439579.565 104516.842 -0.007 0.010 0.012
　　A16 2439629.031 104544.485 2439629.037 104544.476 -0.006 0.009 0.011
　　A17 2439678.184 104575.880 2439678.180 104575.872 0.004 0.008 0.009
　　A18 2439732.122 104600.474 2439732.126 104600.479 -0.004 -0.005 0.006
　　A19 2439790.750 104654.021 2439790.757 104654.026 -0.007 -0.005 0.009
　　A20 2439840.394 104691.731 2439840.397 104691.738 -0.003 -0.007 0.008
　　通过比较以上数据的位差均合限，然后计算两次测得坐标数据的平均值得出成果见表2。
　　表2RTK测量图根点坐标成果
　　点名 坐标成果 备注
　　 纵坐标 横坐标 
　　 X Y 
　　A1 2438866.767 104571.947 
　　A2 2438943.594 104523.516 
　　A3 2439006.057 104482.521 
　　A4 2439090.648 104446.364 
　　A5 2438990.624 104269.676 
　　A6 2439160.924 104288.316 
　　A7 2439158.606 104584.508 
　　A8 2439103.605 104699.874 
　　A9 2439367.987 104699.695 
　　A10 2439361.413 104545.617 
　　A11 2439362.514 104318.382 
　　A12 2439435.052 104455.811 
　　A13 2439481.947 104472.811 
　　A14 2439533.702 104494.707 
　　A15 2439579.562 104516.847 
　　A16 2439629.034 104544.481 
　　A17 2439678.182 104575.876 
　　A18 2439732.124 104600.477 
　　A19 2439790.754 104654.024 
　　A20 2439840.396 104691.735 
　　最后，通过位差△S和观测个数n我们求得这组数据得观测值中误差m。
　　显然，这个数值满足规范中有关图根点点位中误差不得大于图上0.1mm的要求。
　　6论文结语
　　根据误差扩散的特征我们知道，足够多的观测次数，可以使误差分布更密集，最终使观测结果更加精确。对于GPSRTK来说，利用双参考站的方法在可以有效地提高测量数据的精度。同时，我们不能忽略影响GPSRTK定位精度的误差来源的其他方面，必须选择合适的方法和手段去减小各方面误差对测量精度的影响。
　　参考文献：
　　[1]武汉测绘科技大学《测量学》编写组。测量学（第三版），武汉：测绘出版社，2000.3
　　[2]《水利水电工程测量规范（规划设计阶段）》，中华人民共和国水利部、电力工业部，1997-08-11
　　[3]李沛鸿、柳广春.GPS-RTK分析与探讨。全球定位系统.2008.2
　　[4]黄张裕等.GPSRTK作业精度的影响因素分析.水利水电测绘.2007.9