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1.1概述 GPS定位在测量中有很大的应用潜力。近年来,GPS接收机的小型化、小功耗给其应用于测量提供了有利的条件。在软件方面,GPS的基线解算、平差也有了很大的发展,这些都促使GPS在测量中得到了较为广泛的应用。尤其近几年,动态GPS(RTK)的出现,使测量工程缩短了工期,降低了成本,减少了人员的投入,这些方面充分体现了GPS技术较常规技术的优越性。 尽管动态GPS(RTK)的出现,使观测时间缩短,人员投入减少,并且不受网形和通视等条件的影响,提高了工作效率。但是,动态GPS(RTK)测量没有静态GPS测量的同步环、异步环及附合线路等约束条件,它是以基准站为中心呈放射状,以支点形式分布的散点,从而无法直接衡量其观测精度。因此,作为新生事物的动态GPS(RTK)测量在实际生产中的精度成为测量界关注的重点。 为了探求动态GPS(RTK)测量的精度,我分析和研究了动态GPS(RTK)测量的各种资料及其观测方法,同时对其进行了实测对比和研究。通过一系列的研究,对动态GPS(RTK)测量的精度有了一定的认识,进一步提高了观测精度和工作效率。 1.2 RTK技术的应用现状 现阶段的RTK技术主要应用包括以下几个方面，很多的应用都属于尝试性的，有待于更进一步的研究探讨 1.2.1施工放样 自从GPS差分定位技术出现以后，就有了针对施工放样的测量方法。GPS实时动态差分测量的实时性正是针对施工放样而设计的，RTK技术是实时动态差分测量的进一步发展，它的服务对象仍然是工程施工放样。RTK技术的出现，使得GPS测量的应用领域进一步拓宽。 近年来，RTK测量在道路施工中的应用越来越广，不仅用于道路中线及边线的施工放样，同时还用于挖填土方的测量，并且取得了良好的效果。 在各类管线放样施工中，RTK技术也表现出其绝对优势，如在国家重点工程“西气东输”工程中，RTK测量表现出了无与伦比的优越性；在环渤海石油开发中，海底电缆及石油天然气输送管线的铺设也都采用了RTK放样方法。在送变电线路放样及城市供水管道施工放样中的应用也已经取得了良好的效果。 1.2.2实时导航定位 GPS最初的应用是飞机、船舶的导航，随着实时定位技术的不断发展，定位精度逐步提高，其应用范围也不断扩大。目前主要为航空摄影测量、水底地形测量提供导航定位服务，在航空摄影测量中，RTK技术为摄影载体确定瞬时位置信息，而在水底地形测量中，主要是结合测深设备如数字测深仪、多波束水下测量超声仪、声纳多普勒定位仪等，间接测量水底某点位置。 1.2.3图根控制点布设 各类研究报告显示，RTK测量精度与常规测量的I级导线、IV等水准相当，可以满足各类测量的图根控制精度要求。GPS-RTK测量以其精度高、实时性强的特点在各行业的测量工作中与常规方法结合得到了迅速的推广。由于RTK测量可以实时提供坐标，无须进行室内计算，可以即测即用，各点之间不用通视，误差不积累等特点，深受广大测绘工作者喜爱。 具体做法是在待测碎部点附近较为开阔并且与碎部点通视的地方，以RTK方法测定两个以上控制点，在其中的仟意点上架设全站仪，测量碎部点的坐标位置。这种方法便捷迅速，精度可靠，己得到广泛应用。 1.2.4碎步点测量 由于GPS测量自身的局限性，一直制约着其在碎布点测量中的应用特别是在城区等对GPS信号遮挡严重的地方。但在一般地区，已经显示出RTK地形地籍图测绘的明显优势，对于比较低矮的建筑及其它一些地形特征点可以直接立杆测定，特别是在地籍测绘中，土地界址权属的测量划分，已经得到各界人士充分地肯定。 由于RTK测量的误差都是相对于参考站产生的，独立的两个RTK之间没有误差传播，RTK测量己经达到厘米级精度，但两点之间的方位精度远没有常规测量方法精度高，对于精度要求较高的测量来说还不太实用。 1.2.5变形监测 作为一种新方法，近几年国内外许多学者开展了卓有成效的GPS动态实验与测试工作，将GPS测量技术应用于变形检测。在早期的试验中，一般都采用了后处理差分方法实现的，例如，加拿大卡尔加里塔在受风载作用下的结构动态变形测量、深圳帝王大厦GPS风载振动测量、武汉长江二桥GPS动态监测试验等。 随着GPS-RTK技术的发展，RTK技术也逐步应用于桥梁及大型构筑物的变形监测。 英国利用GPS-RTK技术对位于亨伯河口的亨伯大桥进行了动态监测工作，监测大桥中央位置在桥的各轴线方向的位移以及桥塔在东南、西北和垂直方向上的位移。日本明石的凯约大桥也安装了先进的监测系统，保证交通安全和结构的稳固性。 第二章 RTK技术的原理及特点 2.1 RTK的测量原理 RTK是根据GPS的相对定位概念，将一台接收机放在已知点上（称为基准站），另一台或几台接收机放在新点上（称为移动站），同步采集相同卫星的信号，见图1。将这些观测值进行差分，可削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，实时定位精度能大大提高。 RTK采用载波相位观测值，能直接导出卫星和天线之间的总波长数，并能解算模糊值。在通常的GPS测量中，需要将两点之间的观测值进行后处理才能求出总波长数和模糊值。在RTK中，基准站的观测值是通过无线电数据链播发给移动站进行数据的实时处理。由于近年来研究出实时解算模糊值的算法（简称为“途中”解算，或称为OTF），使RTK成为可能。这些求模糊值的算法能在接收机运动过程中解算模糊值。实时解算模糊值比后处理解算模糊值更难、更复杂。因为只能利用几个历元的数据快速解算模糊值。 目前，在正常条件下，用RTK解算模糊值只需要10—60 s的观测值。一旦求出模糊值时，即可开始RTK测量。当卫星失锁，或至基地站的数据链中断时，此模糊值即已失效。此时，必须重新求定模糊值。但是，这一点在实际应用中不是大问题。因为多数观测者在各点之间迁站都是步行，即使卫星失锁或数据链的信号中断，在步行途中，RTK系统也能自动进行模糊值初始化。 2.2 RTK技术的系统组成 2.2.1基准站 基准站设置在坐标为已知的参考点上，见图2.2。GPS天线安置在参考点的上方。GPS接收机连续采集数据，并通过无线电数据链或GSM电话播发给移动站。 GPS使用的频率为400—450 MHz，基准站发射功率为2—35 w，移动台功率为0.5—2.0 w。由于此频段的信号是直线传播，绕射性能很差，故要求两点之间准光学通视。为了扩大信号传播距离可采取两种办法：一是使用信号放大器，二是另设中继站。通过无线电播发的数据，多采用RTCM SC-104格式。由于RTCM格式的效率低，故多数GPS接收机厂商都采用自己的数据格式播发数据。如果有很多用户在同一测区工作时，可设立RTK的常设基地站。常设基地站可承担下列任务：连续采集数据，存储原始数据，计算RTCM改正，为用户实时或事后提供数据，监测卫星状况，向用户预告各种干扰。目前，国际上已有少数城市建立了这种常设基准站。 2.2.2移动站 各点之间迁站时采用步行方式的RTK，其移动站配置见图3。移动站接收机的天线多数都置于测杆顶部，观测者将测杆放在点上，此测杆应有水准气泡，以使接收机天线严格位于点上方。最新的移动站接收机已实现一体化，即接收机、天线、显示器和电池四大部分融为一体。用户界面多数采用掌式计算机（称为控制器），它既可手持，又能固定在测杆上。观测者利用控制器既可察看RTK系统的状况（即星数，模糊值固定状况，坐标质量……），又能存储坐标及其它信息。 2.2.3 RTK网 近年来，国际上已有少数城市建立了RTK网，RTK网是由几个常设基站组成。可借助用户周围的几个常设基地站实时算出移动站的坐标。当使用RTK网代替一个基地站时，算出的移动站坐标将更可靠。各常设站之间的距离可达100 km。本文只讨论目前通用的一个基地站的RTK测量。 第三章RTK测量的精度和可靠性分析 3.1 RTK测量的精度的影响因素 3.1.1 GPS系统的影响 GPS系统本身有其固有因素，用户无法控制，但必须考虑这些因素。 (1)星数 在OTF解算未知的模糊值时，至少需要有5个共同星。星数越多，解算模糊值的速度越快、越可靠。一旦求出模糊值，则基地站和移动站至少需要有4个星即能求出移动站的坐标。 截止高度角低于15o时，共同星数将增加。但是，由此将使采集的数据含有较差的信噪比。这将使解算模糊值的时间延长。然而，为了完成测量，有时也采用较低的截止高度角，也能获得足够的共同星数。 研究表明，星数增加太多对提高RTK点位的精度没有显著提高。但是，观测更多的卫星时，将提高所测成果的可靠性。 (2)卫星图形 卫星图形将影响最后成果的质量。当卫星均匀分布在整个天空时，成果将更好。可用星数越多，卫星图形就会更好。目前，卫星分布的优劣常用PDO（P点位精度衰减因子）值来衡量。PDOP值小则好，PDOP值大则差。在RTK中，PDOP值不宜大于6。 (3)大气状况 卫星信号到达GPS接收机之前，要穿过对流层和电离层，两者均影响信号传播。在正常条件下，当点间距离较短时，对流层和电离层的影响能够模拟，其残差可通过观测值的差分处理，予以削弱或消除。然而，电离层的电子含量将随时间和空间发生剧烈变化。因此，卫星信号到达基地站和移动站时将有不同的影响；而且，基线越长时，此影响越严重。电离层剧烈活动期，将导致周跳或失锁，即使短基线也需要大大延长观测时间才能固定模糊值；或者，根本不能固定模糊值。特别是在太阳黑子爆发时，这是一个严重问题。 (4)基线长度 RTK测量的基线长度同轨道误差和大气影响密切相关。基线越长，电离层和对流层的误差越大，所测结果的误差也越大。据研究：轨道误差、电离层误差和对流层误差对所测结果的影响，分别为（0.1～0.5）×10-6D、（0.1～50）×10-6D和（0.1～3）×10-6 D。基线越长，所测结果的精度越差。多数厂家给出的距离因子，平面为1×10-6 D，高程为2×10-6 D。因此，就10km基线而言，在很好的环境下，平面为1 cm的误差，高程为2cm的误差。实测结果也与此相符。 基线更长时，数据链信号变得更弱，从而需要更长的初始化时间，而且解算结果也不可靠。 3.1.2 RTK系统 “工欲善其事，必先利其器”。各种RTK系统都会影响所测结果的质量。RTK设备的优劣不仅严重影响精度，而且也影响成果的可靠性。这里包含有两类问题：在结果中如何发现误差？出现可疑的坏结果时，RTK系统能否发出警告？现将评价RTK系统的主要因子简述如下。 (1)数据链 目前大多数RTK都采用自备无线电数据链，但也有少数厂家开始采用GSM电话，两者都将影响观测值。两种数据链各有其优缺点。无线电数据链的优点是：移动站的数量没有限制，购买到收、发电台后，就没有其它费用。但无线电信号传播的距离受到地形、地物的制约。而且，由于各种干扰将引起很多麻烦。弱信号或受干扰的信号将使解算模糊值和保持模糊值不变增加很多困难。 用GSM电话建立数据链的优点是，数据链的质量同距离无关。这也有危险，因为距离越长，所求坐标精度将越低。另一优点是，环境及基地站至移动站之间的障碍物对GSM数据链没有影响。GSM数据链的缺点是：用户要承受电话费；同一个基地站连接的用户数量受到限制；完全受GSM覆盖范围的制约。 将无线电和GSM相结合，也能进行RTK。可能时，采用无线电数据链。当移动站位于无线电信号之外时，则用GSM建立基地站和移动站之间的联系。 (2)天线类型 GPS天线存在两种误差：一是物理相位中心之间的偏差，二是相位中心变化（PCV）。当基地站和移动站都使用同一类型的天线时，此偏差和PCV可基本消除。否则PCV能在几毫米和几厘米之间变化，而且相位中心的偏差可到几分米，基地站和移动站之间使用不同类型的天线时，在不理想的环境下将导致观测结果精度降低，甚至无法解算模糊值。 (3)软件 各种RTK系统都使用自己的软件处理数据。目前，有很多解算模糊值的方法；而且求出的若干个模糊值中何者是正确的，也有很多方法。不同软件采用不同算法。在解算模糊值的可靠性方面，各种算法都有其优缺点。 此外，各种软件处理的时延也大不相同。此时延是下列三者的总和：基地站计算和播发无线电改正所需的时间；无线电信号传播时间；移动站接收无线电信号和计算其点位的时间。使用RTK进行地形测量时，观测者从一点到另一点多为步行。这时，时延值的大小不是大问题。但在纯动态应用中，例如测定运动平台轨迹的解算中，将引起较大误差。目前有很多方法解决此问题。正在计算当前一个结果时，可利用以前获得的信息来预报结果；或者，等待以后的数据进行内插。 各种软件之间的另一差别是：控制观测值质量的方法。例如，允许最少星数，允许最大PDOP值，算出坐标的限差等。当超出这些规定时，RTK系统将发出警告；或者，予以拒绝，不用于解算。 3.1.3环境 测量环境对RTK观测有重大影响。应尽量避免测点周围环境的影响。因此，在观测过程中，观测者必须始终用眼睛注视周围环境，以保证观测质量。 (1)地形 测点周围的地形将直接影响观测值的质量。地形的起伏将影响无线电信号的传播。为了使无线电信号具有最大的覆盖范围，数据链发射台应设在制高点上。基地站设在制高点上，也能保证观测到足够多的GPS卫星。这时，也能提高与移动站接收机的共同星数。 (2)基地站与移动站之间的障碍物 GPS数据电台采用的450—470 MHz属UHF波段，此波段的电波要求两点之间准光学通视。基地站和移动站之间的障碍物具有两种影响。一方面它能使无线电信号中断，导致移动站的模糊值丢失。另一方面，这些障碍物能反射无线电信号，将使信号传播得更远，基线也能更长。 (3)平面覆盖 地面建筑物和树木等遮挡，将影响到卫星的可见性。当测点靠近房屋或树林时，共同星数将急剧下降，卫星图形也将变坏。 (4)多径误差 当卫星信号受天线附近的地形地物影响、经一次或多次反射后到达天线时，将产生多径误差。在一点上观测时间足够长时，则可部分削弱此多径效应。但因RTK不能在一点上观测较长时间，故此影响可达几厘米。在最坏情况时，甚至不能解算模糊值。 多径效应通过仔细选择天线点位来避免，特别是基地站的点位。在高反射环境中，要使用专门设计的天线，例如，具有MET Pinwheel…技术的天线，扼流圈天线、屏蔽板或吸收电波的材料等都可削弱多径误差。大多数RTK系统都试图在观测时探测出和改正多径误差。 (5)电波干扰 电波干扰能够引起信号中断，甚至卫星失锁。输电线、蜂窗电话、电站、电台、电视发射台、雷达站等都会产生这种电波干扰。 3.1.4观测方案 观测方案将对所测结果的质量和可靠性产生重大影响。观测方案的主要内容有：历元数，观测次数，基地站位置，基地站数量，坐标系统的选择等。现分别简述如下。 (1)基地站的选择 基地站环境应考虑的问题已在前面讨论，但基地站坐标的精度也应加以顾及。如果基地站的坐标精度较差，则全部新点坐标的精度决不会超过基地站。当然，如果只考虑相对坐标，则基准点的质量就无关紧要。在这种情况下，即使将基准点设在未知点上，利用单点定位结果作为基地站坐标也是可以的。这对短距离的相对结果是允许的。但是，当基线增长时，将出现尺度比误差。 (2)一个基地站或基地站网 本文只讨论一个基地站的RTK测量。目前，有些地区已发展为多基地站构成的常设基地站网。采用基地站网有三大优点：一是减少模糊值初始化时间；二是提高移动站的精度；三是移动站坐标的精度同基线长度的关系不大。因此，基线长度比只有一个基地站时大得多。 (3)坐标系坐标系的选择 坐标系坐标系的选择对所测成果的精度影响很大。GPS采用WGS-84坐标系，而且全部计算都在此坐标系内进行。因此，处理后的首批结果是WGS-84坐标。 但是，中国绝大多数用户都需要国家格网坐标，如54平面坐标和80平面坐标。为此，必须首先将WGS-84坐标转换为54坐标或80坐标，然后，再将其投影到高斯平面上。此外，为获得黄海高程，还必须将WGS-84椭球高转换为正高，此时需要大地水准面模型，就小测区而言，常常不需要大地水准面模型。在这种情况下，利用几个已知点的高程进行小区域转换已足够。关于小测区从WGS-84实时转换为地方坐标的详情见。任何RTK系统都具有坐标转换功能。大多数RTK系统都不采用7参数，而采用3参数进行实时转换。因此，所测结果同现有坐标可能有较大的偏差，在长距离时还会出现尺度比误差。 为了同地方坐标的正高符合得更好，最好采用三维坐标转换的地方参数。此地方参数可由至少3个公共点（即WGS-84坐标和地方坐标均为已知的点）导出。当已知点坐标属地方坐标系时，则在野外就能够推导地方转换参数。首先，移动站在至少3个已知点上进行测量。然后，移动站借助测出的WGS-84坐标和已知地方坐标算出地方转换参数。利用这些地方转换参数即可进行下一步测量。 建议将地方坐标和WGS-84坐标存储在移动站接收机内。WGS-84坐标可能在以后还会有用。例如，当坐标转换出现问题时，或者同一点的坐标需要另一坐标系验证时。 (4)历元数 存入的坐标既可以是观测一个历元的结果，也可以是几个历元的平均值。对于纯动态测量，例如探测位移或轨迹测量而言，只能选择一个历元。然而，对于地形测量而言，则可取几个历元的平均值，从而消除偶然噪声。 几个历元取平均值的方法，不同软件各不相同。大多数软件都是取前几个历元的平均值。某些RTK系统允许改变历元数。历元数的选择有3种办法：最短测量时间，要求精度，或两者结合。 研究表明：当用几个历元取平均值代替一个历元时，所测结果将会略有改善。 (5)重复测量 对整个测量进行全部检查的唯一方法是实施独立的重复测量，即采用不同的模糊值。当两次独立测量结果超过限差时，则很可能是由于解算模糊值错误，从而导致一次或两次观测值出现粗差。大多数软件都可能在一点上算出几组坐标。目的在于检查这些坐标是否在规定限差之内，而且坐标差超限时将发出警告。 实际上，重复测量将浪费时间和经费。因此，在实际应用中不采用重复测量法。但是，为了考察RTK系统的综合性能和可能产生的各种故障，建议测量过程中在坐标为已知的几个点上进行重复测量。 实践证明：为了探测出错误观测值，重复测量是很有用的。 3.1.5观测者的技术和经验 RTK实践证明，观测者的专业水平和经验对成果的精度和可靠性有重大影响。例如：对中误差，测量天线高或输入基地站坐标的任何误差，都将影响测出的全部坐标。此外，观测者必须尽量垂直握住测杆，使其真正位于测点的垂线上，天线高应输入移动站接收机。观测者也应认真检校RTK设备。三脚基座和移动站测杆上的水准器必须检查校正，以避免任何系统误差对观测值的影响。 3.2 RTK的误差来源及解决措施 RTK定位的误差一般分为两类: (1)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。 (2)同距离有关的误差：包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。对固定基地站而言，同测站有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同距离有关的误差将随移动站至基地站的距离的增加而加大。 3.2.1同测站有关的误差 (1)天线相位中心变化 天线的机械中心和电子相位中心一般不重合。而目电子相位中心是变化的，它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。因此，不仅需要测量电子相位中心的平均位置相对于天线机械中心的变化，而目要定义整个可见天球的相位中心的变化。 忽视天线相位中心的变化，可使点位坐标的误差一般达到3cm最大可到5 cm。因此，若要求RTK定位精度达到1cm，必须知道自己天线和基地站天线的精确相位图形。据之改正其数据。 天线检验的方法分为二类：一是实验室内的绝对检验法。由WuBBENA等人提出的天线相位中心绝对检验法，可达到1-3mm的精度。二是野外检验法。目前研究出的野外精密检验法是ROTHACHER法。基地站最好采用绝对检验法。但是，这两种天线检验法都比较复杂，外业人员都不愿意采用。 (2)多径误差 多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为5 cm，高反射环境下可达19cm。多径误差创建为常数误差和周期误差两部分。 多径误差的周期一般为5~20分钟，这对RTK的移动站是个严重问题。此外，L1和L2的相位中心的变幅可达6cm。 目前的问题是，很难将多径误差和天线相位中心的变化分开。对于无电离层影响的线性组合观测值LO而言，此影响可达20cm，多径误差可通过下列措施子以削弱 ①选择地形开阔、没有反射面的点位。 ②采用具有削弱多径误差的各种技术(例如：NCT，MET，MEDL， Pinwee…..等)的天线。 ③采用扼流圈天线。 ④基地站附近辅设吸收电波的材料。 ⑤采用处理数据的新技术(但结果尚未被大家公认)。 (3)信号干扰 对于基地站而言，测试天线周围的电磁波干扰，并不是很难。信号干扰可能有多种原因。干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。改正这些影响没有实际意义。唯一可行的方法是选点时仔细注意。 在基地站削弱无线电噪声最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周跳和信噪比。为了削弱电磁波的幅射干扰，最好避开： ①在测站周围100-500m范围内的UHF，VHF，TV和BP机发射台。 ②无线电爱好者的定向发射台。 ③用于航空导航的雷达装置。在选点时使用仪表测试的方法也可削弱 这些影响。 ④气象因素 据研究，快速运动中的气象峰面，也能导致观测坐标的变化达到1~2dm。因此，在天气急剧变化时不宜进行RTK测量。 3.2.2同距离有关的误差 同距离有关的误差的主要部分可通过多基地站技术来消除。但是，其残余部分也随着至基地站距离的增加而加大。 (1)轨道误差 目前，轨道误差只有几米，其残余的相对误差影响约为1ppm，就短基线(10km)而言，对结果的影响可忽略不计。但是，对20-30km的基线则可达到几厘米。 (2)电离层误差 电离层误差具有三大特性：扩散性、互补性和瞬变性。双频接收机就是利用电离层的扩散性，将L1和L2的观测值进行线性组合来消除电离层的影响。电离层对码观测值和载波相位观测值的影响，数值相同、符号相反。这就是电离层的互补性。CCD技术即利用此互补性，使单频GPS接收机的测程由20km急剧扩大到300km。电离层对定位的影响，随时间(每天、每月、每年)和地点而迅速变化，此即电离层的瞬变性。 电离层效应同太阳黑子活动密切相关。在太阳黑子平静期，小于5ppm，当太阳黑子爆发时，其影响可达到50ppm。2001-2002年属太阳黑子活动高峰年。实践表明，太阳黑子爆发的几天内，不但RTK测量无法进行，即使静态GPS测量也会受到严重影响。 (3)对流层误差 对流层误差同点间距离和点间高差密切相关，一般可达3ppm。为了保证RTK达到cm级精度，要对测站有关的误差一起模拟。 目前，常用的单、双频RTK系统的数据链电台多为美国PCC公司35W(基地站)和2W(移动站)电台。实验表明，当两山顶之间能通视、距离为47km时，也可收到差分信号。但是，移动站在城镇区作业时，如两点之间有房屋遮挡，即使相距1 km也很难收到差分信号。因此，国际上将RTK技术通常只用于几公里范围内两点之间准光学通视的放样测量。 第四章 RTK精度的实验研究 4.1实验准备 4.1.1实验目的 通过多组对比实验来验证RTK的精度，以及验证楼房、树木对于RTK精度的影响，来探索在城市观测条件欠佳的情况下RTK测量精度情况。其中内容包括静态GPS测量，动态RTK测量，水准测量。涉及坐标转换，数据处理和结果分析。 4.1.2实验设备以及数量 (1)静态GPS测量 ①实验设备：Ashech ProMark2 GPS 数量：3台 ②设备简介： 10通道连续跟踪GPS卫星，L1-C/A码及全载波相位测量，2通道WAAS/EGNOS专用通道。LCD显示卫星状态、剩余电量、剩余内存、观测时间、测量基线长，将测量和导航融于一体，内置8兆内存和地图数据。观测时间根据卫星状况及测量基线长，记录时间不等。 水平：5mm 1ppm ，垂直：10mm 2ppm； (2)动态RTK测量 ①实验设备：sokkia 2600 数量: 一套 ②设备简介： GSR2600 GPS接收机支持所有GPS测量模式，操作简单，超低功耗。SK-600 天线轻小型、高性能、抗多路径效应。24通道L1、L2全波长载波相位、C/A码窄相关伪距、P码观测值、P码辅助伪距观测值。 ③测量精度RTK 平面： 10mm 1ppm ；高程： 20mm 2ppm。初始化距离＞15km。初始化可靠性典型值＞99.9% (3)水准测量 实验设备：DS3水准仪 4.1.3 控制点的选择和控制网的布设 (1)本次实验共选择了8个控制点，在选点过程中尽量让点位满足以下要求： ①点位设在视野开阔的地点上,对于楼房和树木密集的地方，选择相比较而言最佳的信号接受位置。 ②与无线电发射台距离不得小于200m。 ③与高压的距离不得小于50m,从而避免磁场对卫星信号的干扰。 ④观测站附近不应有大面积的水域等对电磁波反射(或吸收)强烈的物体,以减弱多路径效应的影响。 (2)选择的控制点基本都在水泥道路上，所以用水泥钉子代替控制点。由于是实验，所以并没有埋设点位的标石和标志，但是所选择的控制点位置稳定、坚固，完全不会因为点位的移动而影响本次实验。 (3)点位分布图如下： 从上图我们不难看出，G001、G002和G003点周围视野开阔，基本不受其他因素的影响。G005和G007点周围不仅有高楼还有大树, 视野不开阔,测量受较大的影响。G004、G006和G008点只是在某个方向上受高楼影响，所以在测量过程中一定要注意选择好观测时间，根据卫星星历的预报情况，选择卫星状态分布较好的时间进行测量。 4.1.4独立坐标系的建立 如图4.2所示，以G002点为坐标原点，以G002-G009的方向为坐标北方向，G002-G009所在轴为X坐标轴，顺时针旋转90度，与其垂直的方向作为Y坐标轴方向，建立独立坐标系。 假定G002点的坐标为（5000，5000，400），采用5秒闭合导线施测。所用仪器为索佳SET-210全站仪,其标称精度为测角2s、测距3 mm 2ppm。导线闭合差为-。 最后进行简易平差得到控制点坐标如下表所示： 因为测区没有国家已知点，因此上面所测的点将做为已知点参于RTK地方参数的转换，以及作为GPS平差的已知数据。 4.1.5四等水准测量 (1)水准测量的作业方法及步骤 以G002点的假定高程400.000作为已知高程值，用四等水准测量的方法,最后再次闭合到G002，中间闭合到G004点，用于临时检查。最后经典平差来求取其他点的高程，用来与RTK高程数据比较，来验证RTK测量的高程精度。 水准测量闭合环闭合差为 15mm,每公里观测高差中误差为±13 mm。 (2)水准测量结果如下表： 4.2实验作业方法及步骤 4.2.1动态RTK测量的作业方法及步骤 (1)基准站的选定和建立 基准站设置除满足GPS静态观测的条件外,还应设在地势较高、四周开阔的位置,便于电台的发射。可设在具有WGS84和北京54坐标(或地方独立网格坐标)的已知点上,也可在未知点设站。本次实验基准站都是设置在测区较高的未知点。 基准站的安置是顺利进行RTK测量的关键,所以在选点时应注意:①避免选择在无线电干扰强烈的地区。②基准站站址及数据链电台发射天线必须具有一定的高度。③为防止数据链丢失以及多路径效应的影响,周围无GPS信号反射物(大面积水域、大型建筑物等)。 (2)求取地方坐标转换参数 合理选择控制网中已知的WGS84和北京54坐标(或地方独立网格坐标)以及高程的公共点,求解转换参数,为RTK动态测量做好准备。选择转换参数时要注意:①要选测区四周及中心的控制点,均匀分布。②为提高转化精度,最好选3个及以上的点。 (3)外业操作 ①将基准站接收机架设在未知点上,把发射天线尽量架高，便于发射和接收信号。等连线工作完成后先开接收机后开电台，进行接收机初始化。期间打开移动站接收机进行初始化，也可以与基准站接收机同时开机。 ②等待初始化都完成后，将手簿与流动站接收机连接好后，首先新建一个JOB文件,点击进入JOB文件后，选择WGS-84坐标系统和参考椭球系。 ③将流动站依次架设在G001、G002和G003点上，每个点位上测量数据6次。比较选择最稳定的数据进行参数转换。转换之前先新建地方格网直角坐标系，与WGS-84坐标系关系好之后，在手簿里输入校正点G001、G002和G003的独立坐标系坐标，通过这些校正点坐标来求取地方转换参数。 ④将坐标系选择为刚才新建地方格网直角坐标系中，看转换后的G001、G002和G003点的坐标与转换前独立坐标系下的坐标，比较发现较差最大为3mm，满足要求。 ⑤再选择WGS-84坐标系统，依次测完所有点位，每个点位测量至少6次。 ⑥在不同时间段里，按照上面的方法再测两次。用于验证仪器稳定性和用于单次和双次测量的比较，验证双次测量的必要性。 (4)为消除RTK作业中的误差,作业中采取了以下措施: ①转换参数引起的精度损失 在进行RTK测量时,首先需要输入控制点的WGS-84坐标和地方独立坐标系坐标,以此来求解转换参数,待测点的坐标需要依此得到转换后的独立坐标系下的坐标。这期间待测点坐标的精度存在着坐标转换的损失。经验表明,这种损失一般在1 cm左右,但与控制点的精度和分布有关。本次作业时选取的3个已知点精度高、分布均匀且能覆盖整个测区,可消除转换参数引起的精度损失。 ②基准站与流动站之间的距离 基准站与流动站之间的距离、轨道误差和大气延迟误差对RTK测量精度影响较大。一般情况下,基准站与流动站之间的距离较短时,其影响能够模拟,其残差能够通过观测值的差分处理得到削弱甚至基本消除。当基准站与流动站之间的距离较长时,它们的影响较大,得到固定解的时间一般也较长,观测结果的误差也较大。而且,GPS误差的空间相关性随基准站与流动站间距离的增大而逐渐失去线性,因此在二者较长距离下,经过差分处理后的流动站数据仍然含有较大的观测误差,从而容易导致定位精度的降低与无法解算载波相位的整周模糊度。本测区流动站和基准站的距离均小于1 km,完全满足RTK作用距离一般不超过15 km的要求。 ③测站环境及天气状况 基准站、流动站上的环境及天气状况也会影响到RTK测量结果的精度。基准站周围的干扰较多时,电台的控制范围会减小,影响作业效率。流动站周围观测环境较差时,信号的接收质量会降低,测量噪声增大,最终影响RTK定位的结果。而且,基准站与流动站、各流动站之间的气象条件差异较大时,会明显的影响到RTK测量,尤其是高程测量的结果。本次实验作业时天气状况好、基准站周围比较开阔,无干扰源;流动站也选择在开阔地,远离干扰源,基本可消除测站环境及天气状况的影响。 ④操作人员的误差 在进行RTK测量时,同其他测量一样,同样需要进行仪器的整平、对中及仪器高的量取等。操作人员使用方法及实际经验的不同,同样会影响到RTK测量成果的精度。作业时流动站采用一人扶持对中杆进行对中整平,另外一人专门操作手簿，两人配合可减小人为的误差影响。 ⑤基准站的误差 RTK测量时,流动站的坐标都是利用基准站的坐标和基线向量得到的,因此,基准站的误差会系统性的带入到流动站的结果中,最终影响到流动站的坐标。而且,基准站的对中、整平等人员操作误差也会系统地带入到流动站的结果中,且基准站周围环境对GPS观测质量的影响也会影响到流动站坐标的解算。因此,要尽可能控制基准站误差对RTK测量的影响。本次实验三次测量时基准站都设在未知点上，而且每次架设的位置都不相同，这样可以减少基准站对于流动站的系统误差影响。 (5)RTK测量结果如下表： 4.2.2静态GPS测量的作业方法及步骤 (1)数据采集 静态GPS测量采用边连式布网，共设5个时段，每个时段观测时间不低于90分钟。 (2)数据处理 用solutions 2.5和南方平差软件各自解算了一次。两次比较，在较差不大的情况下，求平均值。得到下面的结果： (3)静态GPS测量结果如下表：
第五章 实验结果对比和分析 5.1动态RTK测量和静态GPS测量的精度比较 (1)实验结果
(2)结果分析 通过比较,两次坐标较差值最大为20mm，经计算平均坐标差值为8.1 mm。 5.2 RTK高程测量和水准测量高程的精度比较 (1)实验结果
RTK高程与水准高程较差分布如下表
(2)结果分析 通过表5.2我们可以看出，RTK高程与四等水准高程差值最大达到了59mm，最小也达到了17mm，经计算平均值达到了40mm。 5.3历元选择对于RTK高程测量的影响 (1)实验结果 历元数量对平面测量结果的影响如下表： 历元数量对高程测量结果的影响如下表：
(2)结果分析 通过表5.4和5.5两个表格的比较，我们不难看出，历元数量对于平面测量的影响有一定的规律，而对于高程的影响却没有什么规律可寻。 对于平面测量来说，当历元数量小于10个时，所测的结果与大于10个的相比，坐标差值最大已经达到的37个mm,平均值也达到了10个mm。而当历元数量在11～20个，21～30个，30个以上时，平面测量的坐标差值不大，坐标差值的平均值小于5mm。 对于高程测量来说，随着历元数量的变大，所测的高程值时大时小，有时候高程差值还是比较大的，没有什么规律而言。因此历元数量对于高程测量显得并不是十分重要。 因此在RTK测量的时候尽量让历元数量大于10个的时候保存数据，一站上尽量多测几次，便于检查。 5.4观测次数对于RTK测量的影响 (1)实验结果 RTK相同点位不同时间段的平面测量结果比较
RTK相同点位不同时间段的高程比较
(2) 实验结论 平面：从表5.6(2)中，我们不难看出不同时间段里的三次测量较差最大为31 mm，最小为1 mm，经计算平均值为10mm。。 高程：从表5.7中，我们不难看出两次高程之差最大值为59mm,最小值为7 mm,平均值为29mm。 所以在精度要求不高的测量方面，没有必要进行重复多次测量，没有必要浪费时间。但是对于精度要求较高的测量方面，进行重复测量还是很有必要的，因为这样可以检查出粗差，避免因为其他人为因素而影响测量精度。 5.5测量状态好坏对于RTK测量的影响 (1)结果对比
从表 5.8我们可以看出，当测量状态不好的时候，PDOP>6，并且为浮动解，平面和高程残差都比较大，最大的达到了1.944m。当测量状态较好的时候，为固定解，平面和高程残差均小于30mm，而且PDOP<6。 测量状态好的时候和不好的时候比较可以看出，平面坐标最大达到了1000多mm，最小也达到了500多mm，高程最大也达到了200个mm。 因此在测量状态不好的时候，一定要注意不能用浮动解，因为浮动解解出来的数据特别不准确，可以达到m级以上的误差。 5.6 RTK的精度分析 5.6.1RTK平面精度分析 通过表5.1的比较,两次坐标较差值最大为20mm，经计算平均坐标差值为8.1 mm，均小于规范要求，完全达到了一级导线的精度要求。由此可知, RTK测量的平面精度是较高的，能达到10mm的标称精度，而且也是十分准确可靠的。 5.6.2高程精度分析 通过表5.2和表5.3的比较，我们不难得到，RTK高程与四等水准高程差值最大达到了59mm，最小也达到了17mm，平均值达到了40mm。高程较差∣△H∣全部都小于70mm，71.40%都小于50mm。虽然RTK点间的相对精度较高,但与四等水准测量比较显示RTK高程的可靠性并不是十分理想，不能达到20mm的标称精度，所以在用RTK测量高程的时候应该慎重。 5.6.3楼房和树木对于RTK的精度的影响分析 通过表 5.8的对比，RTK测量状态好的时候和不好的时候比较可以看出，平面坐标较差最大达到了1000多mm，最小也达到了500多mm，高程最大也达到了200个mm。 因此在测量状态不好的时候，一定要注意不能用浮动解，因为浮动解解出来的数据特别不准确，可以达到m级以上的误差。 RTK在控制测量及施工放样中有着广泛的运用,比传统的测量仪器省时省工且精度高等,但其在碎部测量中的应用还是有一定的限制。在房屋密集区域,为避免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。 第六章 实验总结 6.1RTK的质量控制 研究表明，RTK确定整周模糊度的可靠性在95 -99%左右，另外RTK比静态GPS还多出诸如数据链传输等出错的机会，因此和GPS静态测量相比，RTK测量更容易发生错误，这就要求我们必须进行质量控制，根据我们的研究的试验.较为有效的方法有以下几种： (1)己知点比较法:作为RTK测量起算数据的高级控制网，一般用GPS静态获得，具有很高的可靠性。为检核坐标转换参数、己知数据输人及RTK测量各种过程的正确性，可以通过将已知点纳人到测量链中的方式进行检查，这是一种十分有效的方法，可在任何情况下时使用。 (2)重合点比较法:每次初始化成功后，或测量2-4h左右应重合I-2个已测过的RTK点，以此来检查基站设置的正确性和测量链过长后可能产生的点位坐标漂移误差，这种方法可以在首站完成后的设站时使用。 (3)双基站检测法:在测区内同时建立两个以上基准站，每个基准站采用不同的频率发送改正数据，流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据，从而得到两个以上解算结果，比较这些结果就可检验其质量状况这种方法的变通是在不同时段两次架站，但缺点是工作效率较低.所以使用不多。 (4)已知基线长度测量检验。在使用独立坐标系统的测区，往往缺少已知数据，在此情况下.可对已知基线的两端进行坐标测定，以解算边长与理论边长进行比较，这也从一定程度上对RTK成果进行了检核。 6.2关于RTK的讨论 6.2.1 RTK测量的优点 (1)RTK测量人力和设备的的投入少。根据对比,常规的导线测量手段,人力和设备的的投入是RTK测绘手段的2倍。 (2)RTK测量作业效率高。根据对比,RTK测量作业效率是导线测量的2-5倍。 (3)RTK测量作业精度可靠。实践证明,RTK精度取决于GPS系统本身,RTK设备、测量环境、用户专业水平、测量方法等5大因素。只要用户认真作业,规范操作,即可得到满意的测量成果。 (4)实时数据处理。手持控制器可显示位置成果。这一功能使测量师在离开测区前,就可以知道全部测量成果是否满足要求。 (5)接收机性能稳定,可以全天候工作。每台仪器略加配置,既可以做静态定位、快速静态定位等工作。 (6) RTK测量系统可实现自动记录数据。既减少了外业工作量,又便于内业数据的整理和检查。 6.2.2 RTK测量中要求: (1)能接收5个以上的GPS卫星。 (2)迁站过程中不能关机、不能失锁。 (3)必须能同时接收到GPS卫星的信号和基地站播发的差分信号。 星数问题限制了RTK技术的应用范围。在镇、林荫、山地等地区凡所测星数少于5个时RTK测量就会遇到困难。迁站过程中不能关机容易做到,不能失锁则很难。当迁站过程中通过树下、立交桥、隧道等地物时,都会引起失锁。失锁后,必须重新初始化,即重新确定整周模糊值。确定整周模糊值的时间和可靠性,取决于4个因素:单频机或双频机,所测星数,至基地站的距离,RTK软件的质量。随着陀螺惯性导航系统与RTK系统的集成,该困难有望解决。 目前,在测绘领域的RTK应用中,都采用UHF电台播发差分信号。因此,为了接收到基准站播发的差分信号,要求基准站和移动站之间的天线必须“准光学通视”。这在沙漠、戈壁、沙滩、平原等地区的几公里范围内一般都能办到,能顺利进行RTK测量。在不能满足准光学通视的条件下,必须进行RTK测量时,应采取下列5项措施。 (1)先在测区制高点上布测GPS控制点,作为今后的基准站; (2)缩短各点至基准站距离,使其能准光学通视; (3)提高基准站天线的架设高度; (4)有地形、地物遮挡时,另增设中继站; (5)采用多基站法克服不能准光学通视的困难,也可提高RTK成果的精确性和可靠性。但是,这些措施在外业时将增加很多困难。因此,采用RTK技术要求1～3 cm的定位精度时,移动站至基准站的距离,一般应限制在几公里范围内。 6.2.2 RTK实测中存在的问题及对策 (1)RTK作业时,有时会出现数据链不稳定的现象。可能是由于流动站附近存在与电台频率相同的外界无线电,干扰了数据的传输,这时应通知基准站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。 (2)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。这可能是由于周围存在如反射性强的建筑物、水面、临时停车等反射物引起多路径现象,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(如10°或15°)或删星。 (3)由于实时动态RTK的测量与卫星分布以及数据链的性能有关,而且各观测值都是独立观测的,那么在观测时如何判断观测数据的可靠性,在开始观测前先联测其他己知点进行对比,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。在观测一段时间或仪器失锁以及观测结束前都进行这一检测,这样可以有效地判断仪器是否处于正常状态,从而确保观测成果的可靠性。 第七章 RTK技术的展望 在GPS测绘的黄金时代,高精度载波相位实时动态GPS -RTK定位已经在测量方面产生了重大变革,并带来了空前的高效率。但是,用RTK系统来进行高精度的测量作业,还意味着测量员必须首先在测区附近建立一个基准站,然后移动站才能在基准站的有效半径范围内通过接收卫星信号和基准站数据链来精确测得该点的坐标。它的应用受到了电离层和对流层影响的限制,这些影响在原始数据中产生了系统性的误差,这意味着移动站和基准站之间的距离不得不减小许多,以保证系统有效地工作。 现在虚拟参考站技术VRS(VirtualReference Sta-tions)的诞生,使测量员一进入测区的任何一点就能立即开始GPS高精度实时动态RTK测量。这一创新的定位理论思想是采用了固定参考站网络来合成“虚拟参考站”,使测区内每个测量员都能使用,它能得到厘米级的精度,并大大增强系统的性能和可靠性。 7.1VRS的工作原理和方法 VRS系统集GPS、Internet、无线通讯和计算机网络管理技术于一身。整个系统是由若干个(3个以上)连续运行的GPS基准站和一个GPS网络控制中心构成。它利用固定参考站上的数据对工作区域内的误差进行模型化处理,该模型用来生成一个靠近流动站位置的虚拟参考站”,它能向流动站接收机提供“本地化”、标准化格式的修正信息。 VRS的工作原理:固定参考站的GPS观测卫星数据通过通讯链不停地被传送到VRS中央服务器,对每台站的数据进行质量检测,去除大的粗差并修正周跳。完成对数据完善性检测,中央服务器会通过分析双差观测量来计算电离层误差、对流层误差和星历误差。这些误差对网内任一流动站的影响也被模型化,因此常规RTK定位的系统误差能被明显地剔除。网络内流动用户为得到虚拟参考站,必须向中央服务器提供自身的近似位置,可以通过蜂窝通讯采用标准的NMEA GGA数据串来完成。中央服务器自动接收该近似定位信息,并对给定的位置进行几何替代处理,通过内插修正过的星历误差、电离层和对流层误差,为该流动站生成一个“虚拟参考站”。然后再生成一组标准格式的改正信息,并通过蜂窝通讯设备由控制中心传送给流动站。流动站测量员接收VRS中央服务器给出的修正信息,就像参考站在身边一样。 7.2 VRS的性能及优势 与常规RTK系统相比,基于VRS移动定位系统进行的RTK定位性能主要在两方面得到大幅度提高。典型的RTK系统定位精度和可靠性随着流动站与基站之间的距离的增加而降低。基线距离小于10 km时,可以达到厘米级定位精度,实时定位性能较为可靠。但当基线距离大于20 km时,系统的初始化时间大大增加,定位精度降低为分米级。当基线距离大于60 km时,无法进行初始化,实时定位失败。 在参考站数据相同,参考站间距离在60 km以上的情况下,常规RTK系统的可定位区域面积小于整个参考站网络覆盖范围的30%,且定位精度和可靠性分布不均匀,随流动站与基站之间的距离的增加而降低;采用VRS移动定位技术进行网络RTK工作时,系统的可定位范围覆盖整个参考站网络覆盖范围的100%,且精度分布均匀,可达到厘米级实时定位精度。 定位精度测试证明,在参考站间距约为70 km,流动站与参考站最近距离为32 km的情况下,VRS定位技术的平面精度可以达到1 ~3 cm,高程精度可以达到3 ~5 cm,该精度相当于采用常规RTK定位时,流动站与基站间距仅为2 km时的性能,VRS技术的确使定位精度得到了明显提高。 国际上已有少数城市建立了RTK网，我国也正在试图建立了RTK网。连续运行卫星定位系统的建立不仅仅有利于经济建设的发展,而且周边城市发展也将受益。该系统的建立不但可以大大提高测绘精度、速度与效率,降低测绘劳动强度和成本,省去测量标志保护与修复的费用,节省各项测绘工程实施过程中约30%的控制测量费用,而且可以对工程建设进行实时、有效、长期的变形监测,对灾害进行快速预报。 |
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