RTK技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

楊凱

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津300061）

RTK技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用研究

楊凱

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津300061）

工程測(cè)量的準(zhǔn)確度直接影響工程的質(zhì)量、安全、功能。隨著GPS測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，RTK技術(shù)逐步成熟，在工程放樣、大地測(cè)量、海洋測(cè)量、航空測(cè)量等領(lǐng)域得以推廣且測(cè)量過(guò)程中可實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)精度的三維坐標(biāo)。介紹RTK技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理、試驗(yàn)步驟，以V60 GNSS RTK為例開展實(shí)地測(cè)量并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行分析。試驗(yàn)證明，RTK測(cè)量精度可達(dá)到0.01 m以內(nèi)，并結(jié)合單頻測(cè)深儀進(jìn)行水下測(cè)量完成地形測(cè)繪工作。RTK技術(shù)具有精度高、質(zhì)量好、減少外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率等優(yōu)點(diǎn)，可在水利工程測(cè)量中推廣應(yīng)用。

GPS技術(shù)；RTK技術(shù)；工程測(cè)量；檢驗(yàn)校驗(yàn)；水下測(cè)量

1 引言

在水利工程建設(shè)中，測(cè)量的精度決定工程項(xiàng)目的質(zhì)量、安全及功能。隨著社會(huì)發(fā)展，水利工程規(guī)模日益擴(kuò)大，對(duì)測(cè)量精度的要求越來(lái)越高。測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了從經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等傳統(tǒng)光學(xué)儀器到以全站儀、電子水準(zhǔn)儀為主的電子儀器的過(guò)渡，測(cè)量精度和效率逐步提高[1]。GPS（Global Position?ing System）技術(shù)是由美國(guó)國(guó)防部建立的一套全球定位系統(tǒng)，可提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度導(dǎo)航定位信息，為工程測(cè)量、海洋測(cè)繪等提供高精度的測(cè)量手段。

近年來(lái)，隨著GPS技術(shù)的不斷發(fā)展，人們提出RTK這種新型的GPS測(cè)量技術(shù)。RTK技術(shù)是一種能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)繪、各種控制測(cè)量帶來(lái)新的曙光，極大地提高了野外作業(yè)效率[2]。因此，筆者主要以中海達(dá)公司V60 GNSS RTK為例，分析了其技術(shù)發(fā)展情況和測(cè)量中的部分關(guān)鍵點(diǎn)，開展實(shí)地測(cè)量并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行分析。試驗(yàn)證明，RTK測(cè)量精度可達(dá)到0.01 m以內(nèi)，并結(jié)合單頻測(cè)深儀進(jìn)行水下測(cè)量完成地形測(cè)繪工作。

2 RTK技術(shù)現(xiàn)狀

RTK（Real-time Kinematic）載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理2個(gè)測(cè)量站載波相位觀測(cè)量的差分方法[3]。它通常由以下部分組成：①基準(zhǔn)站；②移動(dòng)站；③無(wú)線電臺(tái)；④發(fā)射天線；⑤供電電瓶。

基準(zhǔn)站架設(shè)在已知的固定點(diǎn)上，通過(guò)無(wú)線電臺(tái)發(fā)射載波相位信號(hào)，移動(dòng)站同時(shí)接收電臺(tái)信號(hào)和GPS衛(wèi)星信號(hào)兩路信號(hào)，進(jìn)行差分計(jì)算獲得兩點(diǎn)間的相對(duì)位置關(guān)系，從而得到移動(dòng)站所在位置的三維坐標(biāo)信息。

3 RTK測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 試驗(yàn)方法及步驟

（1）基準(zhǔn)站的選定和建立?；鶞?zhǔn)站設(shè)置應(yīng)滿足GPS靜態(tài)觀測(cè)的要求，還應(yīng)將天線架設(shè)在地勢(shì)較高、四周相對(duì)開闊的樓頂位置，便于信號(hào)發(fā)射?；鶞?zhǔn)點(diǎn)可設(shè)在已知坐標(biāo)點(diǎn)上。

（2）地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算。根據(jù)已知點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行七參數(shù)轉(zhuǎn)換，為RTK測(cè)量做準(zhǔn)備。至少選取3個(gè)以上控制點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，選取2個(gè)以上控制點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)檢驗(yàn)?？刂泣c(diǎn)應(yīng)均勻分布在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，以減小參數(shù)轉(zhuǎn)換誤差。

3.2 接收機(jī)主要性能

接收機(jī)以中海達(dá)公司V60 GNSS RTK系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱V60）為例，如圖1所示，其主要性能指標(biāo)見表1。該設(shè)備定位精度如下：平面±（8+1×10-6D）mm（D為被測(cè)點(diǎn)間距離），高程±（15+1×10-6D）mm。該設(shè)備靜態(tài)定位精度如下：平面±（2.5+1×10-6D）mm，高程±（5+1×10-6D）mm[4]。

圖1 V60系統(tǒng)

表1 RTK接收機(jī)性能指標(biāo)

V60有兩種工作模式，分述如下。

（1）V60具備使用外掛UHF數(shù)據(jù)鏈基準(zhǔn)站模式，使用外掛電臺(tái)作業(yè)時(shí)基準(zhǔn)站使用該模式，其中外掛電臺(tái)為單發(fā)外掛電臺(tái)，功率5、10、20、30 W可調(diào)，頻道116個(gè)頻段可調(diào)。

（2）V60使用內(nèi)置UHF電臺(tái)的移動(dòng)站模式，使用電臺(tái)作業(yè)時(shí)移動(dòng)站使用該模式，其中內(nèi)置收發(fā)一體電臺(tái)，功率1、2、5 W可調(diào)，頻段450～470 MHz，傳輸速率19.2、9.6 kbps可調(diào)，頻道116個(gè)頻段可調(diào)。

3.3 基準(zhǔn)站架設(shè)

基準(zhǔn)站架設(shè)主要包括V60、外掛電臺(tái)、吸盤式發(fā)射天線、鉛蓄電池、三腳架等[5]。在已知坐標(biāo)點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，設(shè)備連接方式如圖2所示，電臺(tái)、基準(zhǔn)站接收機(jī)分別開機(jī)進(jìn)行初始化工作；使用iHand智能手簿，新建工程，并設(shè)置工程參數(shù)，如坐標(biāo)系選取等，通過(guò)藍(lán)牙方式連接V60終端，將設(shè)備設(shè)置為基準(zhǔn)站，并在架設(shè)點(diǎn)位進(jìn)行平滑處理。

圖2 基準(zhǔn)站架設(shè)示意

基準(zhǔn)站架設(shè)主要依照以下要求進(jìn)行：①基準(zhǔn)站選擇在較為開闊區(qū)域，高度角≥15°；②基準(zhǔn)站盡量架設(shè)在測(cè)區(qū)制高點(diǎn)上，有利于信號(hào)傳播；③基準(zhǔn)站應(yīng)遠(yuǎn)離電磁干擾，盡量避開高壓輸電線路、微波通信鐵塔等設(shè)施；④測(cè)量作業(yè)盡量選擇在天氣情況較好的時(shí)間開展，避免因大風(fēng)陰雨造成信號(hào)丟失；⑤基準(zhǔn)站作業(yè)期間不得移動(dòng)位置，不得關(guān)機(jī)重啟，如移動(dòng)或重啟需要重新進(jìn)行校驗(yàn)檢驗(yàn)；⑥基準(zhǔn)站開始工作，應(yīng)注意電臺(tái)頻道和信號(hào)收發(fā)指示燈工作狀態(tài)；⑦鉛蓄電池注意正負(fù)極連接，注意防雨防水措施。

3.4 移動(dòng)站架設(shè)

使用iHand智能手簿連接移動(dòng)站主機(jī)，連接方法與基準(zhǔn)站連接相同。連接完成后，將設(shè)備設(shè)置為移動(dòng)站；電臺(tái)工作模式選擇使用移動(dòng)站內(nèi)置電臺(tái)，輸入電臺(tái)頻道，確保與基準(zhǔn)站通信正常；根據(jù)測(cè)桿刻度，修改天線高度，完成移動(dòng)站基本設(shè)置。

移動(dòng)站使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①測(cè)量開始前，首先要確保手簿與移動(dòng)站主機(jī)藍(lán)牙連通；②通過(guò)iHand手簿查看移動(dòng)站電源情況，確保工作時(shí)間；③選擇3個(gè)或以上的已知點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到七參數(shù)；④選取測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的其它已知點(diǎn)進(jìn)行校驗(yàn)檢驗(yàn)；⑤測(cè)桿高度一般設(shè)置為2 m進(jìn)行測(cè)量作業(yè)，當(dāng)高度改變時(shí)應(yīng)修正。

4 RTK測(cè)量

4.1 RTK單點(diǎn)測(cè)量步驟

（1）將基準(zhǔn)站架設(shè)在已知基準(zhǔn)點(diǎn)上，架高發(fā)射天線，連接線纜，打開外置電臺(tái)、基準(zhǔn)站主機(jī)電源，進(jìn)行初始化設(shè)置。

（2）使用Hi-RTK Road軟件，新建工程，點(diǎn)擊GPS連接基準(zhǔn)站進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到固定解，然后設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)及中央子午線，在不帶任何參數(shù)的情況下對(duì)參與解算的控制點(diǎn)進(jìn)行采集。

（3）連接移動(dòng)站，修改天線高度。

（4）計(jì)算七參數(shù)。將已知控制點(diǎn)導(dǎo)入控制點(diǎn)庫(kù)，依照?qǐng)D3步驟，選取3個(gè)已知國(guó)家坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行七參數(shù)計(jì)算，結(jié)果如圖4所示，點(diǎn)擊“運(yùn)用”；參數(shù)運(yùn)用完后可在“橢球轉(zhuǎn)換”中查看，如圖5所示。

圖3 七參數(shù)解算過(guò)程

圖4 七參數(shù)解算結(jié)果

（5）校驗(yàn)檢驗(yàn)。將移動(dòng)站架設(shè)在控制點(diǎn)1上，保持測(cè)桿上水平氣泡居中，在“坐標(biāo)系統(tǒng)”中選擇點(diǎn)校驗(yàn)，點(diǎn)擊平滑按鈕，10 s平滑過(guò)程完成后，導(dǎo)入控制點(diǎn)1坐標(biāo)，計(jì)算得出改正值，完成校驗(yàn)過(guò)程；將移動(dòng)站架設(shè)在控制點(diǎn)2上，保持測(cè)桿上水平氣泡居中，點(diǎn)擊Ent測(cè)量該點(diǎn)坐標(biāo)，與已知坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)誤差在10-2m范圍內(nèi)時(shí)，完成檢驗(yàn)過(guò)程。

圖5 橢球轉(zhuǎn)換

（6）使用移動(dòng)站對(duì)5個(gè)待測(cè)已知點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量5次，將5次數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，得到RTK測(cè)量值。

4.2 測(cè)量結(jié)果

已知點(diǎn)坐標(biāo)、RTK測(cè)量結(jié)果和對(duì)比結(jié)果，見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在5個(gè)已知點(diǎn)X、Y、H坐標(biāo)與RTK測(cè)量值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，大于0.01 m的坐標(biāo)值有3個(gè)，其余12個(gè)坐標(biāo)值均小于0.01 m，其中最大差值為0.013m、最小差值為0 m。

5 與測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)繪

5.1 測(cè)量原理

以HY1700單頻測(cè)深儀（以下簡(jiǎn)稱HY1700）為例，HY1700由發(fā)射接收模塊、量化模塊、顯控模塊和電源模塊組成，通信接口使用RS232與PC端進(jìn)行雙向通信，探測(cè)精度可達(dá)所測(cè)深度±0.01m[6]，具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)記錄水深數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存等優(yōu)點(diǎn)，主要性能參數(shù)見表3。HY1700由以下部分組成：①測(cè)深儀主機(jī)；②換能器；③測(cè)桿。

換能器是HY1700的最前端設(shè)備，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為高強(qiáng)度穩(wěn)定的探測(cè)聲波，向水中發(fā)射，遇到底部或障礙物時(shí)進(jìn)行反射，換能器實(shí)時(shí)采集反射信號(hào)，濾除噪聲，將反射聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)反饋給測(cè)深儀主機(jī)[7]。

表3 HY1700性能參數(shù)

探測(cè)主機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算換能器底部到水底距離的公式為：

式中：C為探測(cè)聲波聲速（m/s），通過(guò)聲速儀獲??；t為換能器從發(fā)射聲波到接收反射信號(hào)的時(shí)間（s）。

之后，將水深數(shù)據(jù)顯示在主機(jī)顯示器上，同時(shí)通過(guò)RS232傳輸并儲(chǔ)存在PC端，如圖6所示。

圖6 測(cè)深儀基本工作原理

安裝換能器時(shí)，將線纜穿過(guò)測(cè)桿，位置置于船龍骨附近，使用鉛絲固定，盡量保證測(cè)桿與水平面垂直，吃水高度應(yīng)大于或等于0.3m，避免行船中換能器露出水面產(chǎn)生誤差。

水下高程換算如圖7所示，計(jì)算公式為：

式中：h0為RTK水面高程（m）；h為換能器吃水深度（m）；H為換能器底部到水底深度（m）。?

圖7 水下高程換算

5.2 數(shù)據(jù)采集及處理

保證RTK移動(dòng)站與換能器在同一豎直軸線上，通過(guò)RTK獲得水下位置數(shù)據(jù)文件，通過(guò)測(cè)深儀獲得水深文件，并將保存坐標(biāo)和水深信息的.ss文件通過(guò)數(shù)據(jù)線保存在PC端海洋測(cè)量軟件中。按照預(yù)設(shè)航跡線行船，定期保存.ss文件。

使用數(shù)據(jù)后處理軟件，獲取任務(wù)，采集水深取樣，將.ss文件導(dǎo)入軟件，進(jìn)行平滑處理，剔除數(shù)據(jù)異常點(diǎn)；通過(guò)測(cè)區(qū)內(nèi)水下高程點(diǎn)繪制水下等高線，然后生成水下地形圖。

6 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，RTK技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量得到目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，具有高效、靈活、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，給工程測(cè)量帶來(lái)極大的便利，可以減輕野外作業(yè)中操作人員的工作量，提高作業(yè)效率。但同時(shí)，RTK技術(shù)會(huì)受到天氣情況、衛(wèi)星信號(hào)、無(wú)線電干擾等因素的制約，在使用中要注意把握，保證測(cè)繪工作的開展。

[1]孫其鵬.RTK與全站儀聯(lián)合測(cè)圖的實(shí)際應(yīng)用[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2016:5-7.

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[3]張虎龍.RTK測(cè)量精度測(cè)試方法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2016，44（12）:2503-2507.

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[6]無(wú)錫海鷹加科海洋技術(shù)有限公司.HY1700測(cè)深儀使用說(shuō)明書[Z].無(wú)錫:無(wú)錫海鷹加科海洋技術(shù)有限公司，2009.

[7]程劍剛.網(wǎng)絡(luò)RTK聯(lián)合聲波測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2014，23（3）:63-65.

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A

1004-7328（2017）06-0051-04

2017—07—25

楊凱（1987—），男，碩士，工程師，主要從事水利電子通信工程和網(wǎng)絡(luò)信息化工作。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.06.015