水利工程控制測量中GPS RTK技術的應用與精度分析

馮文軍

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

水利工程控制測量中GPS RTK技術的應用與精度分析

馮文軍

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

針對水利工程控制測量專業(yè)中GPS RTK技術的應用問題，結合某地區(qū)防洪工程實際情況，在簡述GPS RTK技術優(yōu)勢與原理的基礎上，從誤差來源與計算入手開展GPS RTK技術測量精度分析，并通過分析得出GPS RTK技術滿足五等導線控制點對于限差提出的要求，可在低等級的控制測量作業(yè)中應用的結論。

水利工程控制測量；GPS RTK技術；誤差分析；精度分析

如今，GPS RTK技術已經(jīng)是水利工程控制測量常用手段，無論是在提高測量效率還是保證測量精度上都具有十分重要的作用。但由于誤差因素的影響，使得GPS RTK技術應用存在精度方面的問題，需根據(jù)情況進行精度分析，以滿足工程要求。

1 GPS RTK技術優(yōu)勢

GPS RTK技術的出現(xiàn)為以往工程測繪專業(yè)帶來了一次徹底的技術革命。GPS RTK技術不僅具有操作方便、準確度高、受外界因素影響小等特點，還能實現(xiàn)平面實時定位，且自動化程度極高。通過實踐，可將GPS RTK技術優(yōu)勢總結為以下3個方面：

1)可對定位的精度進行實時掌控，而且實際操作十分簡單。

2)支持碎部地形地貌的快速測繪，還可實現(xiàn)數(shù)字成圖。

3)可在事前對設計點的坐標進行輸入，以此完成下程放樣。

然而，GPS RTK技術存在一定應用局限性，使其在某些情況下無法滿足精度要求。鑒于GPS RTK存在眾多技術優(yōu)勢，在有效克服技術應用局限性等問題的前期下，在某地區(qū)防洪工程測繪中嘗試使用GPS RTK技術，并對其測量精度進行分析。

2 定位原理

GPS RTK是將實時載波相位差分作為基礎的動態(tài)定位和測量技術。在GPS RTK技術中，基準站不僅對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行采集，還要借助數(shù)據(jù)鏈等站點的坐標信息與觀測值傳輸?shù)搅鲃诱?。而流動站則需在數(shù)據(jù)采集基礎上接收基準站發(fā)出的數(shù)據(jù)鏈，同時在相應系統(tǒng)中完成實時數(shù)據(jù)的載波相位差分，最終給出定位的結果[1]。GPS RTK技術還可以分成差分法與修正法。其中，修正法是指將修正值傳輸?shù)搅鲃诱?，對站?nèi)載波相位進行改正處理，由流動站對坐標信息進行求解，這種方法也被稱之為準GPS RTK；差分法主要將基準站中的載波相位傳輸?shù)搅鲃诱局?，然后由流動站對坐標信息進行差分求解。

3 誤差來源

該防洪工程使用TOPCON HIPER雙頻GPS接收機，其在靜態(tài)測量模式下的平面精度可保持在3mm+1ppm×D。GPS RTK測量模式下的平面精度一般為10mm+1.5ppm*D。以上的D值表示基線距離。通過分析，測量誤差主要來源于以下3個方面：

1)GPS衛(wèi)星星歷誤差、鐘誤差及受相對論效應的影響；

2)信號傳播過程中受到對流層與電離層以及多路徑效應等因素的影響；

3)接收信號的過程產(chǎn)生誤差，或其他外部因素影響。

4 實際測量誤差與精度分析

靜態(tài)GPS RTK點是指在測區(qū)中按5km間隔進行布置的測點，一般與已知點實施聯(lián)測，再利用后處理計算機軟件實施平差轉(zhuǎn)換，求取測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)的均值，這些測點主要是在復合形式的限差條件下完成平差，因此轉(zhuǎn)換參數(shù)具有很高的精度。在此基礎上布設相應的導線控制測量，這樣可使起算精度具有一致性[2]。在后續(xù)操作中，會對測點測量精度造成影響的因素有：

1)基準站架設產(chǎn)生的中誤差，用m站表示。

2)GPS接收機的標稱精度，用m標表示。

3)數(shù)據(jù)解算軟件精度，用m解表示。

4)對中桿誤差，用m對表示。

以上4種誤差都是偶然性誤差，而且不同誤差相互獨立，不存在關聯(lián)。

針對這4種誤差分析測量精度：

1)m站：誤差表現(xiàn)為基準站天線中心無法與控制點處于同一條垂直線。通常采用水準器確保二者處于同一條垂直線。水準器還可分為管狀水準器與圓狀水準器。其中，圓狀水準器的中央為球面，球面頂點是水準零點，而分劃則是將零點作為圓心的標準圓，其半徑相對較小。管狀水準器內(nèi)部為旋轉(zhuǎn)弧面，管中注有液體，液體具有流動性強、附著能力弱且冰點低等特點，水準器外部設有分劃線。

圓心角的角度(2mm)是衡量與判斷水準器是否精確的關鍵指標。本工程選用圓狀水準器，其指標精度為8分。根據(jù)測量的幾何關系，由基座完成光學對中，對中受指標精度方面的影響即為對中偏離垂直線的角度。采用這一方法可推算出m站大小。

m站=Hi×tan(8’)

(1)

式中：Hi為儀器高度，本次測量取1.5m。代入數(shù)值進行計算可得m站=3.49mm。

2)m對：m對的計算公式為：

m對=Ht×tan(8’’)

(2)

式中：Ht為桿高度，本次測量取2.0m。代入數(shù)值進行計算可得m對=4.65mm。

3)m標：測量中，有效作業(yè)半徑一般不會超過5km，根據(jù)GPS RTK的標稱精度可對接收機誤差進行推算，計算公式為：

m標=10mm+1.5×5km/1.0km

(3)

經(jīng)單位換算和計算可得：m標=17.5mm。

4)m解：對于數(shù)據(jù)解算軟件精度，其主要與觀測時間有關。一般情況下，隨觀測時間的延長，所需解算時間越長，解算結果的精度也就越高。多數(shù)情況下當解算結果精度≤3m時就可以對解算數(shù)據(jù)進行保存，故m解=3mm。

5)在得出上述四種誤差后，即可使用誤差傳播定律對測點精度進行計算，計算公式為：

m測2=m站2+m標2+m對2+m解2

(4)

式中：m測為測點精度，代入以上數(shù)值進行計算可得m測=18.7mm。

結合不同的測量距離，對點位誤差、相對于基準站的精度、最弱點的點位精度以及邊長相對差進行估算，估算結果如表1所示。

表1 不同測量距離下的精度估算結果

通過對表1和相應技術要求的對比可得，當測量距離<4km時，測點所有誤差都在五等導線的限差之內(nèi)。因此，采用GPS RTK技術對控制點進行測量，滿足五等導線控制點對于限差提出的要求，可在低等級的控制測量作業(yè)中應用。

5 結 語

基于GPS RTK技術的工程控制測量徹底改變了以往由高至低的測量模式，可在控制點下對圖根點進行直接布設，不存在積累誤差的現(xiàn)象。此外，測量作業(yè)僅需2-3人即可完成，無需人工記錄，顯著提升測量效率。而且不同控制點之間還不需要實現(xiàn)通視，受時間與天氣氣候等因素影響小，支持全天候作業(yè)。

[1]杜珍應.GPSRTK技術在水利工程控制測量中的精度分析[J].煤炭技術,2014,10(05):118-119.

[2]劉子路.GPSRTK技術在控制測量中的應用及精度分析[J].交通科技與經(jīng)濟,2014,11(04):80-82.

1007-7596(2017)08-0170-02

2017-07-23

馮文軍(1979-)，男，四川鄰水人，工程師，從事測繪方面工作。

P228.4

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