淺談GPS RTK在工程中的應用

劉晨辰+薛亮

【摘 要】本文簡述GPS原理，介紹GPS RTK相關工作原理以及兩種測量模式，并結合其在一個工程中實際應用的例子，指出其相較于傳統(tǒng)工程測量方式的優(yōu)缺點。

【關鍵詞】GPS；RTK；工程測量

1 GPS系統(tǒng)簡介

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）是美國從20實際70年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。

1.1 GPS的構成

GPS主要由GPS衛(wèi)星星座（空間部分）、地面監(jiān)控部分。用戶接收處理部分組成。

1.1.1 空間部分

GPS空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，這些GPS工作衛(wèi)星共同組成了GPS衛(wèi)星星座，其中21顆為可用于導航的衛(wèi)星，3顆為活動的備用衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行，衛(wèi)星的運行周期約為12恒星時。每顆GPS工作衛(wèi)星都發(fā)射用于導航定位的信號。GPS用戶正是利用這些信號來進行工作。

1.1.2 地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的若干個跟蹤站組成的監(jiān)控系統(tǒng)所構成，根據起作用的不同，這些跟蹤站又被分為主控站、監(jiān)控站和注入站。GPS的地面監(jiān)控部分主要作用是根據獲得數據計算衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數等，并將這些數據反饋給衛(wèi)星，同時也可以對衛(wèi)星進行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當工作衛(wèi)星出現故障時，調度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作。

1.1.3 用戶接收處理部分

GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的用戶設備（如計算機、氣象儀器等）組成。它的作用是接受GPS衛(wèi)星所發(fā)出的信號。并利用這些信號進行導航定位工作。

1.2 GPS RTK工作原理

1.2.1 GPS定位原理

GPS定位是根據測量中的距離教會定點原理實現的。在待測點Q設置GPS接收機，在某一時刻GPS同時接收到3顆（或3顆以上）衛(wèi)星S1，S2，S3所發(fā)出的信號。通過數據處理和計算，可求得該時刻接收機天線中心（測站點）至衛(wèi)星的距離P1，P2，P3。根據衛(wèi)星行李可獲得該時刻3顆衛(wèi)星的三維坐標（Xi，Yi，Zi），i=1，2，3，從而由下式解算出Q點的三維坐標（X，Y，Z）：

P12=（X-X1）2+（Y-Y1）2+（Z-Z1）2

P22=（X-X2）2+（Y-Y2）2+（Z+Z2）2

P32=（X-X3）2+（Y-Y3）2+（Z-Z3）2

1.2.2 RTK工作原理

RTK，即實時動態(tài)相對定位（real time kinematic positioning）。相位動態(tài)相對定位，由于采用的載波相位觀測值存在整周模糊度參數，要實現精密動態(tài)相位定位，必須預先解算載波相位整周模糊度，一旦整周模糊度確定，則定位結算只需4顆以上衛(wèi)星的同步觀測值一個歷元即可。如果將參考站觀測數據（或改正數）通過無線數據鏈路發(fā)送到流動站接收機，流動站接收機在確定（或稱固定）載波相位觀測值的初始模糊度后（又稱初始化完成），就可以實現實時動態(tài)相對定位（RTK）。目前，在一定的范圍內（如流動站和參考站間的距離小于20km時），其定位精度可達1～2cm以內。

2 GPS RTK的兩種測量模式

2.1 快速靜態(tài)定位模式

測量過程中要求GPS接收機在每一流動站上，靜止地進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準站和衛(wèi)星的同步觀測數據，實時解算整周模糊度和用戶站的三維坐標，如果結算結果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已經滿足設計要求，便可以結束實時觀測。一般應用在控制測量中，如控制網加密若采用常規(guī)測量方法（如全站儀測量），受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實施比較困難，而采用RTK快速靜態(tài)測量，可起到事半功倍的效果。單點定位只需要5min～10min，不及靜態(tài)測量所需時間的1/5，在工程測量中可以基本代替全站儀完成工作。

2.2 動態(tài)定位

測量前需要在一控制點上靜止觀測數分鐘（有的儀器只需2～10s）進行初始化工作，之后流動站就可以按欲動的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準站的同步觀測數據，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達到厘米級。動態(tài)定位模式可以進行一般工程放線工作，方便快捷，且測量過程不需要通視，有著常規(guī)測量儀器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點。

3 在工程中的應用實例

3.1 工程實例簡介

藍色硅谷軌道交通工程項目南起青島嶗山苗嶺路北至青島即墨市鹽田東，全長59.2km，共設車站22座。平面基準為青島城市坐標系（東部帶），1980西安坐標系參考橢球，高斯投影中央子午線120度、45分帶，投影面高程0m。

本文針對其利用GPS RTK模式對控制點數據測量的結果與采用常規(guī)導線測量的結果進行對比，分析其特點。

3.2 實際應用結果

本次測量采用GPS型號為徠卡GPS1200，采用全站儀型號為徠卡TC802，均可滿足測量精度需要。

測量以測繪院提供坐標為真值，利用兩種一起分別進行測量和數據處理，最終得到測量結果如表1：

兩種測量方式與坐標真值進行比對，獲得相互之間差值，如表2：

其中，全站儀測量結果與坐標真值最大差值為0.0091，GPS測量結果與坐標真值最大差值為0.0059，所的結果均符合工程測量規(guī)范（GB50026-2007）要求，且兩種測量方式對同一點所得到數據差值較小，可以根據實際情況進行替代使用。

4 GPS RTK在工程測量使用中的優(yōu)劣勢

4.1 優(yōu)勢

相對于常規(guī)測量手段來說，GPS RTK在工程測量中主要具有以下優(yōu)勢：

1）測量精度高，根據所選設備最高能達到毫米級；

2）測站之間無需通視，解決了復雜環(huán)境導線測量所無法完成的工作；

3）觀測時間短，一個測點僅需幾分鐘即可完成；

4）儀器操作簡便，只要懂得最基本操作即可；

5）全天候作業(yè)，不受周圍環(huán)境明暗影響；

6）根據實際情況可以提供三維坐標。

4.2 劣勢

但是，GPS RTK在應用中也存在以下問題：

1）精度受到與基站距離，以及信號強度影響較，少數測區(qū)存在一些干擾源，造成RT K 測量質量不正常。

2）所得到的結果不穩(wěn)定，必須為固定解才能正常使用。

3）天空環(huán)境影響。白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數少，初始化時間長甚至不能初始化，達不到測量要求。GPS-RT K 半徑比其標稱半徑要小很多，工程實踐和專門研究都證明了這一點，解決這類問題的有效辦法是把基準站布設在測區(qū)中央的最高點上。

4）數據的處理主要查看PDOP 值是不是超限，放樣精度是不是達到作業(yè)精度的要求，基線距離是不是在規(guī)定的距離范圍內等等，如達不到要求需考慮結合全站儀測量。

5）高程異常問題。RT K 作業(yè)模式要求高程的轉換必須精確，但我國現有的高程異常圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在較大誤差，在有些地區(qū)還是空白，這就使得將GPS-RT K 大地高程轉換至海拔高程的工作變得相當困難，精度也不均勻。

5 結語

隨著我國國民經濟的快速增長，我國的基礎工程建設迎來前所未有的發(fā)展機遇，這就對測量技術提出了更高的要求，目前工程測量中雖已采用電子全站儀等先進儀器設備，但常規(guī)測量方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制， 作業(yè)強度大且效率低，大大延長了設計周期。

GPS RTK 應用于工程測量時可根據待測點的精度指標，確定觀測時間，提高工作效率。展望未來，俄羅斯的GLONASS，歐盟的GALLIEO 以及我國的北斗都在亞太地區(qū)具備完全導航能力。我國 2000 國家大地控制網為GPS-RT K 提供了進一步的數據支撐。隨著各部委、城市、礦區(qū)連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)（CORS）的建立和GPS 軟硬件的不斷更新，GPS RTK 技術在工程測量中的應用有著非常廣闊的前景。

[責任編輯：楊玉潔]