水利工程測(cè)量中GPS-RTK 的應(yīng)用探討

李劍

（黔西南州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 興義 562400）

1 引言

載波相位差分技術(shù)，又稱RTK（Real－TimeKinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)點(diǎn)（用戶站）在指定坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)成果，在測(cè)程20km 以內(nèi)可使三維定位精度達(dá)到厘米級(jí)，是GPS 測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了GPS 測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新的突破，具有實(shí)時(shí)定位速度快、抗干擾性能好、保密性強(qiáng)、誤差不累積、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、成本低、全天候作業(yè)等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于海上精密定位、工程放樣、地形測(cè)圖和地籍測(cè)量等領(lǐng)域。多年來，我院在使用GPS-RTK 進(jìn)行水利工程測(cè)量時(shí)也遇到了一些困難和問題，本文針對(duì)這些在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的難點(diǎn)問題進(jìn)行分析，并提出解決問題的辦法。

2 RTK 的基本原理

RTK 稱實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分。其設(shè)備是在兩臺(tái)靜態(tài)型測(cè)量?jī)x器間加上一套無線電數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（也稱數(shù)據(jù)鏈），將相對(duì)獨(dú)立的GPS 信號(hào)接收系統(tǒng)連成一個(gè)有機(jī)整體?；鶞?zhǔn)站把接收到的所有衛(wèi)星信息（包括偽距和載波相位觀測(cè)值）和基準(zhǔn)站的一些信息（如基準(zhǔn)站的坐標(biāo)、天線高等）都通過通訊系統(tǒng)傳送到流動(dòng)站，流動(dòng)站本身在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)，也接收基準(zhǔn)站傳送的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在流動(dòng)站完成初始化后，把接收到的基準(zhǔn)站信息傳到控制器內(nèi)（一般是微型計(jì)算機(jī)），并將基準(zhǔn)站的載波觀測(cè)信號(hào)與本身接收到的載波觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行差分處理，即可實(shí)時(shí)求解得出兩站間的基線值，同時(shí)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換參數(shù)和投影參數(shù)，即可實(shí)時(shí)求得實(shí)用的厘米級(jí)的流動(dòng)站坐標(biāo)。

3 RTK 作業(yè)中出現(xiàn)的問題與處理方法

3.1 大地高向正常高的轉(zhuǎn)化

GPS 儀器直接測(cè)出的是WGS-84 坐標(biāo)系下的大地高，經(jīng)七參數(shù)（或三參數(shù)等）轉(zhuǎn)換可變成地方坐標(biāo)系下的大地高。大地高與正常高的關(guān)系是： H=H常+ζ

其中，H 為大地高，H常為正常高，ζ為高程異常值。而水利工程需要的測(cè)量結(jié)果一般是正常高，這樣一來快速準(zhǔn)確地求解ζ成為首要問題。求解ζ的方法很多，常用的有等值線圖法、高程擬合法和大地水準(zhǔn)面模型法，也可利用軟件直接求得。

在高程異常值變化比較小的地方測(cè)量，例如平原地區(qū)，可采用在基準(zhǔn)站直接輸入北京54 平面坐標(biāo)。用基準(zhǔn)站的高程改正數(shù)去改正流動(dòng)站的高程，直接得出流動(dòng)站的正常高。而在高程異常值變化比較大的地方，例如山區(qū)，再用上述簡(jiǎn)單的方法，則測(cè)出的正常高誤差較大，很難滿足工程要求，解決辦法是：①野外用大地坐標(biāo)放樣或測(cè)量，得出每點(diǎn)的大地高，用當(dāng)?shù)馗叱坍惓ＤＰ瓦M(jìn)行改正；②用地方平面坐標(biāo)放樣或測(cè)點(diǎn)，得出基于基準(zhǔn)站高程異常值的海拔高，用高程異常值差值（可從異常圖上量?。┻M(jìn)行改正；③利用高程擬合法求取。

3.2 初始化

RTK 測(cè)量模式，一般需流動(dòng)站在某一起始點(diǎn)上，靜止地觀測(cè)數(shù)分鐘，以便進(jìn)行初始化工作。之后，運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)按預(yù)定的采樣時(shí)間間隔自動(dòng)地進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地確定采樣點(diǎn)的空間位置?，F(xiàn)在的雙頻接收機(jī)都具有OTF（on the fly）初始化模式，在運(yùn)動(dòng)中就能完成初始化，速度快，可靠性高。但在實(shí)際RTK 測(cè)量時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，有時(shí)也存在著初始化困難的現(xiàn)象。

如果流動(dòng)站無法完成初始化，在流動(dòng)站上要依次檢查：①四周有無障礙物及干擾源；②有無電臺(tái)信號(hào)；③收到的衛(wèi)星數(shù)量及質(zhì)量；④離基準(zhǔn)站是否較遠(yuǎn)；⑤接收機(jī)與手簿和天線之間是否連接正常。在基準(zhǔn)站檢查：①基準(zhǔn)站是否正確啟動(dòng)并通過電臺(tái)發(fā)射數(shù)據(jù)；②電臺(tái)電源電壓是否較低；③電臺(tái)是否存在干擾源（一般的PDL 電臺(tái)存在干擾源時(shí)指示燈亮或閃爍）。除此之外，還要檢查流動(dòng)站電臺(tái)頻率與基準(zhǔn)站電臺(tái)頻率是否一致。通過以上檢查，排除干擾后，一般都能獲得初始化。

還有一種特殊情況，既在排除以上提到的干擾后仍然無法完成初始化，這時(shí)就要考慮是否是衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量問題。有時(shí)在某一時(shí)間的某一地區(qū)，初始化就很難完成。例如，我院在某水庫工程地形測(cè)量過程中，流動(dòng)站處在開闊地帶，能接收到8 顆衛(wèi)星（衛(wèi)星截止高度角 13°，PDOP≤6），電臺(tái)信號(hào)良好，離基準(zhǔn)站只有3km 遠(yuǎn)，此時(shí)初始化卻無法完成。經(jīng)反復(fù)檢查發(fā)現(xiàn)流動(dòng)站和基準(zhǔn)站上接收到的衛(wèi)星雖然都是8 顆，但其個(gè)別衛(wèi)星L1 和L2波段上的信號(hào)有所不同。在基準(zhǔn)站上，15 號(hào)和29 號(hào)衛(wèi)星只有L1 波段，L2 波段上無信號(hào)，而在流動(dòng)站上，這兩顆衛(wèi)星的L1 和L2 波段信號(hào)良好，由此造成無法初始化。解決辦法是在流動(dòng)站上關(guān)閉15 號(hào)和29 號(hào)衛(wèi)星信號(hào)的接收，盡管仍然接收基準(zhǔn)站電臺(tái)的這兩顆衛(wèi)星的信號(hào)，但它們已不參與解算，初始化順利完成。實(shí)踐表明，在多數(shù)情況下基準(zhǔn)站和流動(dòng)站接收到衛(wèi)星的L1 和L2 波段的信號(hào)會(huì)有所不同，如果無法完成初始化，可嘗試使用上述方法。

3.3 RTK 施測(cè)困難地區(qū)

由于在山區(qū)、密林中或城市高樓密集地帶，收不到基準(zhǔn)站信號(hào)或時(shí)有時(shí)無，流動(dòng)站衛(wèi)星信號(hào)接收不好，導(dǎo)致RTK 作業(yè)非常困難。通過多次實(shí)踐，采用以下方法可提高工作效率：①基準(zhǔn)站點(diǎn)設(shè)置必須開闊，無明顯障礙物遮擋，電臺(tái)功率調(diào)到最大，電臺(tái)天線盡可能架高；②把流動(dòng)站GPS 電臺(tái)天線架高；③使用電臺(tái)中繼站；④架雙基準(zhǔn)站工作；⑤開通網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。

4 偽值

在進(jìn)行RTK 測(cè)量時(shí)，要求在初始化成功后，解的類型為固定解，而不是浮動(dòng)解，才能進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)精度能達(dá)到厘米級(jí)。盡管很多接收機(jī)的初始化可靠性達(dá)99.9%或以上，但由于受衛(wèi)星信號(hào)、接收時(shí)間、后處理軟件、環(huán)境因素等各方面影響，有時(shí)在固定解的情況下進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果經(jīng)檢核發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，在排除一切誤差干擾的情況下，平面位置相差30多厘米，高程相差40多厘米，出現(xiàn)了偽值現(xiàn)象。例如，我院在某水庫輸水工程測(cè)量過程中，使用某名牌GPS 接收機(jī)進(jìn)行RTK 測(cè)量，第二天檢核重復(fù)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)以上問題，詳見表1。當(dāng)時(shí)檢核點(diǎn)周圍無明顯障礙物，且無干擾源。為查明原因，我們以施工控制網(wǎng)（D 級(jí)）中的D10、D12 為起算點(diǎn)，以G73 和G74 為未知點(diǎn)做了一個(gè)時(shí)段的靜態(tài)測(cè)量，經(jīng)內(nèi)業(yè)處理分析后得知，第一天的RTK 數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。進(jìn)一步檢查外業(yè)電子手簿，發(fā)現(xiàn)有誤的這些點(diǎn)是在初始化丟失后，又重新初始化成功后測(cè)得的。

防止出現(xiàn)偽值的辦法有：①每日開始測(cè)量前，復(fù)測(cè)兩個(gè)以上已知點(diǎn)（可以是控制點(diǎn)、圖根點(diǎn)、放樣點(diǎn)等）；②初始化丟失后，應(yīng)關(guān)閉流動(dòng)站接收機(jī)電源后再重新開啟接收機(jī)進(jìn)行初始化，若在未關(guān)閉流動(dòng)站接收機(jī)電源的情況下進(jìn)行新的初始化，在測(cè)量前要復(fù)測(cè)兩個(gè)以上已知點(diǎn)；③外業(yè)工作時(shí)注意高程值的變化，看是否與實(shí)際相符，有無異常高程值，因?yàn)槌霈F(xiàn)偽值時(shí)，高程變化較大；④內(nèi)業(yè)處理時(shí)，注意高程變化異常的點(diǎn)，第二天去復(fù)測(cè)這些點(diǎn)。

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5 結(jié)語

GPS-RTK 測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，使得測(cè)繪外業(yè)生產(chǎn)效率和測(cè)繪成果的質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。合理的分析和解決在使用GPS-RTK 作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題，將有利于提高測(cè)量成果的可信度，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)解決，提高作業(yè)效率和工程質(zhì)量，更好地為其它專業(yè)的工作打好基礎(chǔ)。