GPS-RTK技术在工程测量中的应用研究

龙源期刊网技术在工程测量中的应用研究作者：黄燕明来源：《中国新技术新产品》2012年第05期摘要：首先介绍了GPS-RTK技术的原理及其参数转换与误差分析。在此基础上，着重分析了GPS-RTK技术在控制测量、施工放样、断面测量、碎部测量和水下测量中的应用。最后，通过应用实例阐述了GPS-RTK技术在工程测量中的适用性和优越性。关键词：GPS-RTK；工程测量；控制测量1.前言目前，GPS－RTK(RealTimeKinematic，实时动态)技术已经成为使用最为广泛的测量技术之一。高精度GPS实时差分定位RTK技术是在GPS基础上发展起来的，其不仅能在一定范围内达到厘米级的测量精度，还能够实时提供流动站在指定坐标系中的3维定位结果，可以被看成是GPS技术应用史上的重大里程碑。基准站、移动站、数据链是GPS-RTK系统三个主要组成部分：RTK定位技术是以载波相位观测量为基础，基准站上的GPS接收机对所有可见GPS卫星进行连续不间断观测，并通过数据链将其观测值和测站信息一并传送给移动站，而移动站在接受这些信息的同时也采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，为时甚至不到1秒。RTK测量技术所具有的精度高、实时性和高效性等优点，使得其在工程放样、地形测图、各种控制测量等工程领域中的应用越来越广泛。2.GPS-RTK技术的原理及其参数转换与误差分析2.1GPS-RTK定位方法GPS接收机在RTK定位时，要求基准站接收机实时地通过数据链电台把实时观测的卫星数据（伪距观测值，相位观测值等）以及用户输入的信息（测站坐标、坐标系统等）传输给流动站接收机；流动站进行工作时，通过数据链电台接收基准站所发射的信息，同时不停地采集卫星的数据，并在系统内将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站基线向量（ΔX，ΔY，ΔZ），基线向量加上基准站坐标得到流动站每个点的WGS－84坐标，再通过坐标转换参数转换出流动站每个点的平面坐标X，Y和海拔高h，整个过程历时不到一秒钟，定位的结果可以达到厘米级。流动站进行观测时，可处于静止状态，也可处于运动状态；流动站可以在动态环境下完成整周模糊度的求解，在整周未知数解固定(获得固定解)后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。龙源期刊网坐标（或地方独立坐标）以及高程的公共点，求解转换参数，为RTK测量作好准备。选择转换参数时要注意以下几个问题：①要选测区四周及中心的控制点，均匀分布。为提高转化精度，最好选3个以上的公共点，利用最小二乘法求解转换参数。②在GPS2RTK作业前，一般情况下已布好本区GPS基础控制，根据内业计算得到各个控制点的WGS284坐标和当地坐标，在内业计算得到坐标转换参数，直接将参数输入RTK控制手簿，这种方法算得的参数较准确。③在有国家控制点高斯坐标无GPS控制资料的情况下，可以利用流动站在控制点现场逐点进行WGS284定位测量，观测时间不少于5min，当不少于三点测量完成后，即可利用控制手簿解算出坐标转换参数，并利用坐标转换参数将WGS284坐标自动转换为北京54坐标。2.3误差分析一般来说，有三类误差存在于GPS-RTK定位过程中。①用户接收设备固有误差，如内部噪声、天线相位中心变化、天线姿态误差、通道延迟轨道误差、信号干扰、多路径效应、接收机位置误差、气象因素等。其中，天线相位中心变化误差可以消除，其余部分要采用专门措施加以削弱，其残余误差有时对RTK测量结果影响非常严重。②所有用户接收机所公有的误差，如卫星钟误差、对流层误差、电离层误差、星历误差、传播延迟误差等。其中，卫星钟误差、星历误差通过差分技术可以完成消除，电离层误差、对流层误差、传播延迟误差可以大部分消除，但其残余误差会随着流动站至基准站距离的增大而加大。③基准转换误差，如已知控制点的误差、大地水准面差距的内插误差、坐标系统转换误差等。此类误差要采取严密的转换模型和高质量的起算数据，运用检核的办法来验证其精度。3.GPS-RTK技术在工程测量中的相关应用3.1控制测量中的应用整体控制测量和局部加密控制测量是常规测量中所要进行的两个步骤，在整体控制时就必须考虑到后面加密工作的开展。常常因为要进行局部加密控制而要测量一级导线，然后在此基础上再进行图根控制，这样就花费了大量的人力、物力。而采用GPS-RTK系统来进行控制测量，在首级控制测量时，无需考虑通视方向点，无需进行更多的加密控制，如测导线测图根点龙源期刊网之类的工作，只需将移动站放在所需的控制点上平滑采集5S即可得出坐标。这就使得在首级控制选点位时，只需考虑其实用性及设基准站的安全性。因此，GPS-RTK测量技术能够大大提高控制测量的工作效率、减轻劳动强度。3.2施工放样中的应用放样是测量的一个应用分支，在地籍测量中和工程施工中经常使用。它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来。放样的方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样，距离交会，等等。利用以上方法放样出点的位置时，往往需要根据测量的结果来回移动目标，直至到达点位。放样同测图一样，需要通视情况良好，需要跑尺者和观测者，工作效率低。采用RTK技术放样时，可以在室内用专用软件将要放样的点（或线）坐标编辑好，传输到GPS的手簿中，便可以在野外进行操作。操作时，按提示选择放样点后，GPS－RTK会实时解算出天线所在位置的坐标，同时与待放样的坐标进行比较，得出两者之间的坐标差，再通过手簿的界面文字和图形导航到点。3.3断面测量中的应用用常规方法在断面测量过程中常常会碰到断面桩无方向点或测量断面需要很多分站才能完成。而利用GPS-RTK接收机配合手薄记录、采用RTK技术可实时采集断面的三维坐标数据，可以很好地解决这些问题，无须考虑通视方向和分站测量，而且利用手簿实时显示断面图结果，可以很直观地检查断面状况与实地地形，减少了不少的内业工作量。3.4碎部测量中的应用传统的碎部测量一般是根据测区已有的图根控制点，利用平板仪测图或使用全站仪测图，使用全站仪时，测每个点均输入该点的地物编码，然后再利用成图软件成图，这些方法作业时要求测站点和被测的周围地物地貌等碎部点之间一定要通视，而且一台仪器至少要求2～3人同时进行作业。采用RTK技术进行测图时，不要求通视，架设好基准站后，仅需一人拿着仪器便可以开始测量。测量时，测量员在仪器已经初始化（获得固定解）的情况下，在要测的地形地貌碎部点上，将测杆对中、让气泡居中后，开始测量几秒钟，就能获得该点的坐标，精度达到要求后就可保存，保存点时输入该点的特征编码，把一个区域内的地形地物点位测定后，利用专业数据传输和处理软件可以输出所有的测量点。用RTK技术测定点位不要求点间通视，仅需一人操作，便可完成测图工作，大大提高了测图的工作效率。3.5水下测量中的应用通常在进行水下测量工作中，至少要2人看水位做验潮工作，而且测水工作还常常受波浪，船型姿态等影响。而采用GPS-RTK进行水下地形测量，利用其三维定位速度快、精度高的特点，可以实行无验潮测水，受波浪影响小，既节省人力又提高精度。龙源期刊网代替南方测绘静态加密一级导线的实例实例区位于广州增城市新塘镇北部，测绘1：1000数字化地形图，测量面积约14.73km2，主要为平地和丘陵，最大高差约20m，平均海拨为7.3m，实例区附近已利用南方GPS静态测绘的四等GPS点，高程已经四等水准联测，坐标系统采用广东平面坐标系，高程采用1985国家高程基准。使用南方公司升级后的“灵锐86”型双频GPS动态接收机（标示精度10mm+5ppm），选择3个以上具有水准高程且均匀分布在RTK测量范围的四等GPS点作为公共点，求取七参数进行WGS-4坐标系到地方坐标系的转换，利用其他几个已知点作为检核。在四等GPS点下布设一级导线网，用南方测绘静态GPS测定，高程网以测区附近的四等水准点为基准、附合水准测量方法测量，共布设56个E级GPS点。本区用RTK共检测一级导线点31点，用控制点（IV04，E001，E008，E028）建模，在计算完转换参数后再用点E003、E015来进行检查，平面坐标差值不超过±1.0cm，高程值不超过±2.0cm，其精度完全达到RTK采点的要求，RTK可以代替地形控制测量的一、二级导线测量及图根控制测量。4.2数字图测绘的应用实例2010年7～11月，我单位承担了广州增城市某工业区1︰500大比例尺数字图测绘及系列产品C标段12.8km2的测绘任务，设计要求为“采用RTK技术进行图根控制测量时，基准站尽量设置在控制范围的中间，控制半径不超过5km，范围内的每一个E级以上（含E级）控制点都须作为校正点，待求点必须按不同日期、不同基站施测2次，每次都必须进行卫星信号的初始化。分别计算后，两次测量的成果的互差满足规范要求则取中数作为此点的最终成果。并采用常规导线方法进行检测，检测数量不少于总RTK施测点点数的10%。同时，RTK施测的图根点高程也应采用等外水准以上方式进行10%的检测”。我单位采用RTK方式施测图根控制，只是额外采用导线网形式检查了153个图根控制点。5.结论GPS-RTK技术以其定位精度高、观测时间短、可实时提供三维坐标、操作简便等特点，在测量工作中大大提高了工作效率，减轻了劳动强度，越来越受到人们的青睐。运用GPS-RTK技术测量得到的三维坐标数据形成了相应的电子文件，这些数据便于保存和方便其他工程或建立工程管理数据库使用。GPS-RTK技术应用于工程测量中，定位稳定性好，效率高，操作简单，方便快捷，精度能满足工程测量有关规程规范的要求，值得大力推广。参考文献：龙源期刊网[1]王毅明，钟金宁，黄志洲.GPSRTK测量技术的应用与体会[J].现代测绘，2003，26(2):28-29.[2]杨文府，崔玉柱.GPS-RTK的技术方法探讨与对策[J].测绘工程，2008，17(4):50-53.[3]李翔.GPS-RTK技术在工程测量中的应用[J].甘肃水利水电技术，2010，46(4):39-42.[4]令狐义强.GPS-RTK技术在城市地籍测量中的应用[J].测绘与空间地理信息,2011,34(3):108-109.