基于天寶R8 基準(zhǔn)站的手持機(jī)RTK 精度分析

張貴豪，陳普智

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱GNSS）被廣泛地應(yīng)用于控制測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)和精密工程測(cè)量等方面［1］。GNSS 手持機(jī)采用高度一體化設(shè)計(jì)，具有美觀、小巧、輕便、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，支持傳統(tǒng)手持機(jī)航點(diǎn)、 航線和航跡記錄、 編輯等操作，內(nèi)置世界大地坐標(biāo)系WGS-84（World Geodetic System-84）、北京54 坐標(biāo)系統(tǒng)和西安80 坐標(biāo)系統(tǒng)，同時(shí)支持用戶自定義坐標(biāo)系統(tǒng)，滿足個(gè)性化需求，支持七參數(shù)錄入， 已被廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、 地質(zhì)調(diào)查、資源勘查等眾多領(lǐng)域［2］。 GNSS 手持機(jī)的具體應(yīng)用為：在國(guó)土資源管理和利用方面，可以用于宗地測(cè)量、土地變更調(diào)查、土地現(xiàn)狀調(diào)查、礦業(yè)核查等工作；在環(huán)境保護(hù)和治理方面，可以用于污染源定位、污染面積調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃等工作；在石油地質(zhì)勘探方面，可以用于地質(zhì)界線數(shù)據(jù)采集、輸油管線采集、管線巡檢、地質(zhì)填圖等工作；在林業(yè)領(lǐng)域，可以用于林業(yè)資源調(diào)查、林業(yè)權(quán)屬執(zhí)法、林權(quán)糾紛調(diào)解、造林規(guī)劃等工作；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以用于基本農(nóng)田調(diào)查、土壤侵蝕調(diào)查、農(nóng)村承包地測(cè)量、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)等工作；在電力行業(yè)，可以用于電力GIS 數(shù)據(jù)采集、電力資產(chǎn)管理、電力巡檢等工作；在燃?xì)夤?yīng)行業(yè)，可以用于燃?xì)釭IS 數(shù)據(jù)采集、燃?xì)赓Y產(chǎn)管理、管線定位、巡檢等工作；在軍事領(lǐng)域，可以用于布防、偵察、指揮、通訊、拉練、巡邏等工作。 此外，GNSS 手持機(jī)還廣泛應(yīng)用于鐵路、通信、海洋、氣象、交通、科研、旅游、民政、保險(xiǎn)稅務(wù)等行業(yè)。

GNSS 手持機(jī)的推出是GNSS 技術(shù)應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖、各種控制測(cè)量帶來了新的測(cè)量原理和方法， 極大地提高了作業(yè)效率。 筆者試對(duì)Trimble GeoXH6000 手持機(jī)與天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站組合成的手持機(jī)RTK 系統(tǒng)進(jìn)行分析研究， 并通過具體的實(shí)驗(yàn)， 分析基于天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站的手持機(jī)RTK 數(shù)據(jù)的精確度及可靠性，以期為以后工程建設(shè)的應(yīng)用提供參考。

1 GeoXH6000 手持機(jī)與天寶R8 基準(zhǔn)站的相關(guān)原理

1.1 GeoXH6000 手持機(jī)的特點(diǎn)與技術(shù)指標(biāo)

Trimble GeoXH6000 手持機(jī)帶有實(shí)時(shí)的分米精度（10cm）， 支持多種差分方式， 如： 星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation System， 簡(jiǎn)稱SBAS）、連續(xù)運(yùn)行參考站（Continuously Operating Reference Stations，簡(jiǎn)稱CORS）、虛擬參考站（Virtual Reference Station，簡(jiǎn)稱VRS）、信標(biāo)、后處理等，配備功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集軟件， 并支持第三方軟件［3-4］。Trimble Geo XH 6000 內(nèi)置的天線同時(shí)支持全球定位系統(tǒng) （Global Positioning System， 簡(jiǎn)稱GPS）和GNSS 的雙頻信號(hào)， 使用了天寶H-Star 技術(shù)和FloodLight 衛(wèi)星遮擋降低技術(shù)。

H-Star 技術(shù)是Trimble Geo XH6000 手持機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)［5］。 H-Star 技術(shù)是將先進(jìn)的GNSS 接收機(jī)技術(shù)、外業(yè)采集軟件技術(shù)、復(fù)雜的數(shù)據(jù)記錄技術(shù)以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種新技術(shù)，使用該技術(shù)可以用更短的時(shí)間、更低的花費(fèi)、更簡(jiǎn)便的工作流程實(shí)現(xiàn)更高精度的GNSS 數(shù)據(jù)采集。 H-Star 技術(shù)的本質(zhì)可以歸納為數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善、 預(yù)估后處理精度（Estimated Post-processing Accuracy，簡(jiǎn)稱PPA）所帶來的工作流程的改進(jìn)、H-Star 差分后處理3 個(gè)方面。

樹木和建筑物常常遮擋衛(wèi)星， 限制了高精度GNSS 數(shù)據(jù)的獲取， 降低了數(shù)據(jù)精度的可靠性。GeoXH6000 手持機(jī)采用了創(chuàng)造性的Floodlight 技術(shù)，可以在樹叢中、建筑物附件中和普通GNSS 接收機(jī)不能正常定位的地方進(jìn)行定位。

Floodlight 關(guān)鍵技術(shù)在于應(yīng)用了格洛納斯GLONASS（俄語“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Global Navigation Satellite System”的縮寫）衛(wèi)星，增加了可見衛(wèi)星顆數(shù)。 它還應(yīng)用先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)，使得GeoXH6000對(duì)較弱的衛(wèi)星信號(hào)有很好的接收處理能力。 此外，GeoXH6000 引入了氣壓計(jì)，可以通過氣壓與高程的關(guān)系， 來輔助GNSS 的精度控制。 實(shí)驗(yàn)證明，F(xiàn)loodlight 技術(shù)極大地提高了使用效率。

GeoXH6000 手持機(jī)提供了定位所需的精度和速度，帶有實(shí)時(shí)的無需等待的分米級(jí)精度（10 cm），可以方便快捷地確定所在位置， 其標(biāo)稱精度如表1所示。

表1 差分改正后的精度指標(biāo)Tab.1 Precision index after difference correction

GeoXH6000 手持機(jī)提供了多種數(shù)據(jù)通訊方式，如虛擬參考站VRS 網(wǎng)絡(luò)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)電話、自設(shè)基站等［6］。不同差分源和通信鏈路的通信方式如表2 所示。

表2 不同差分源和通信方式對(duì)比Tab.2 Comparison of different difference source and communication ways

1.2 天寶R8 GNSS 測(cè)量系統(tǒng)

天寶R8 GNSS 測(cè)量系統(tǒng)是一款多通道、多頻帶的集接收機(jī)、天線和數(shù)傳電臺(tái)于一體的GNSS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持GNSS 的Trimble R-跟蹤技術(shù)。 Trimble R-跟蹤技術(shù)基于一個(gè)全新增強(qiáng)性RTK 解算， 既支持現(xiàn)代化的GPS L2C 和L5 信號(hào)，也支持GLONASS L1／L2 信號(hào)。

天寶R8 GNSS 測(cè)量系統(tǒng)可以與GeoXH6000 手持機(jī)通過GPRS／CDMA 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 基于天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站的手持機(jī)RTK 原理

RTK 是利用載波相位差分GNSS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位測(cè)量。 差分GNSS 技術(shù)是利用基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間空間的相關(guān)性來進(jìn)行差分改正的， 可以減小定位的誤差。

在R8 GNSS 測(cè)量系統(tǒng)與GeoXH6000 手持機(jī)組成的手持機(jī)RTK 系統(tǒng)里，R8 GNSS 測(cè)量系統(tǒng)作為基準(zhǔn)站使用，GeoXH6000 手持機(jī)則作為移動(dòng)站使用。

R8 基準(zhǔn)站在接收GNSS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)，將接收的數(shù)據(jù)傳輸給GeoXH6000 手持機(jī)，GeoXH6000手持機(jī)則是同時(shí)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)和R8 基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，從而得到高精度定位數(shù)據(jù)。 基于天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站的手持機(jī)RTK 流程如圖1 所示。

2 基于天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站的手持機(jī)RTK 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)時(shí)， 所選測(cè)量點(diǎn)位應(yīng)盡量避免在一條直線上。

圖1 基于天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站的手持機(jī)RTK 流程圖Fig.1 Flow of handheld handset RTK based on Trimble R8 GNSS base station

圖2 基于R8 GNSS 基準(zhǔn)站的手持機(jī)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.2 Flow of handheld handset data collection based on R8 GNSS base station

外業(yè)數(shù)據(jù)采集流程如圖2 所示， 具體工作步驟為：（1）將天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站安置在已知點(diǎn)，并進(jìn)行 對(duì) 中 整 平， 量 取 儀 器 高。 （2） 將 檢 定 過 的GeoXH6000 手持機(jī)與裝有用戶識(shí)別卡（Subscriber Identity Module，簡(jiǎn)稱SIM）的手機(jī)通過藍(lán)牙技術(shù)連接。由于SIM 卡能夠利用GPRS 數(shù)據(jù)流量上網(wǎng)，因此與手機(jī)連接以后的GeoXH6000 手持機(jī)可以通過數(shù)據(jù)流量與互聯(lián)網(wǎng)相連。（3）運(yùn)行Terrasync 軟件，將事先定義的坐標(biāo)系統(tǒng)傳輸?shù)紾eoXH6000 手持機(jī)中，并設(shè)置選中，再將實(shí)時(shí)設(shè)置對(duì)話框打開，選擇等待實(shí)時(shí)狀態(tài)和外部源，在外部實(shí)時(shí)設(shè)置對(duì)話框中，鍵入天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站IP 地址和相應(yīng)的COM 端口號(hào)。（4）對(duì)Terrasync 軟件進(jìn)行設(shè)置，選中外部源并連接到外部源。 （5）創(chuàng)建試驗(yàn)項(xiàng)目文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 為了對(duì)比高程，采集數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將手持機(jī)天線相位中心位置直接放置在要采集的點(diǎn)位上。 （6）當(dāng)所有外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成以后， 用GPS Pathfinder 軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出（需要先將Terrasync 軟件退出）。 然后，在GNSS 后處理軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

由于GeoXH6000 手持機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)是世界大地坐標(biāo)系WGS-84，因此，需要采用布薩爾七參數(shù)法或四參數(shù)法進(jìn)行點(diǎn)校正，將WGS-84 坐標(biāo)系校正為北京54 坐標(biāo)系。

2.2 數(shù)據(jù)處理與精度分析

本次試驗(yàn)是對(duì)黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)布置好的點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體研究方案為：（1）試驗(yàn)前，對(duì)測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)。通過對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行多時(shí)段的重復(fù)觀測(cè)，檢測(cè)儀器的穩(wěn)定性［7］。 （2）采用布薩爾七參數(shù)法進(jìn)行點(diǎn)校正，將GeoXH6000 手持機(jī)與天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站連接，對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量。 為保證數(shù)據(jù)的精確性，在測(cè)量過程中，用天線對(duì)中桿進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)中。 （3） 采用GeoXH6000 手持機(jī)RTK 實(shí)時(shí)差分改正數(shù)據(jù)采集模式完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，之后，將采集數(shù)據(jù)通過電纜線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 （4）將GeoXH6000 手持機(jī)測(cè)量的點(diǎn)位坐標(biāo)與已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，求點(diǎn)位誤差。本試驗(yàn)測(cè)得各點(diǎn)位誤差如表3 和表4 所示。

表3 平面坐標(biāo)及誤差Tab.3 Plane coordinate and error

從表3 可知，最大點(diǎn)位誤差為0.116 m，最小點(diǎn)位誤差為0.083 m，平均點(diǎn)位誤差為0.100 m。 經(jīng)計(jì)算，手持機(jī)測(cè)量值相對(duì)于已知點(diǎn)的中誤差為±0.100 m［8］。

表4 高程坐標(biāo)及平均值Tab.4 Elevation coordinate and average value

經(jīng)計(jì)算， 手持機(jī)高程測(cè)量值相對(duì)于已知點(diǎn)高程的中誤差為0.069 m［9］。

3 結(jié)語

基于H-Star 技術(shù)和Floodlight 衛(wèi)星遮擋降低技術(shù)的GeoXH6000 手持機(jī)， 能夠接收和計(jì)算RTK 改正數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)差分定位精度可以達(dá)到亞分米級(jí)，與傳統(tǒng)手持機(jī)的亞米級(jí)采集模式相比， 其在GIS 外業(yè)數(shù)據(jù)采集以及一定的工程測(cè)量中更具有優(yōu)勢(shì)。 將GeoXH6000 手持機(jī)與天寶R8 GNSS 基準(zhǔn)站連接，可利用GPRS／CDMA 移動(dòng)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這與傳統(tǒng)的無線電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸模式相比， 在一定程度上減少了數(shù)據(jù)質(zhì)量的衰減，同時(shí)使用GPRS／CDMA 移動(dòng)數(shù)據(jù)流量具有經(jīng)濟(jì)性。 與傳統(tǒng)RTK 相比，基于天寶R8 的GeoXH6000 手持機(jī)便于攜帶，提高了工作效率。 但是，采集數(shù)據(jù)過程中，手持機(jī)天線相位中心對(duì)中時(shí)，容易出現(xiàn)人為誤差。在具有連續(xù)運(yùn)行參考站（Continuously Operating Reference Stations，簡(jiǎn)稱CORS）的地區(qū)，可以用CORS 站代替自設(shè)的基準(zhǔn)站。 對(duì)于電力測(cè)量、線路工程測(cè)量、GIS 數(shù)據(jù)采集以及要求一定精度的測(cè)圖工作， 實(shí)時(shí)定位高達(dá)10 cm 精度的GeoXH6000 手持機(jī)是最佳選擇。 但它的高程精度無法滿足高精度工程的使用要求， 還需進(jìn)一步改良。