RTK在城市工程测量中的应用研究

摘 要：本文基于笔者多年从事城市工程测量的相关工作经验，以广州城市工程测量任务为工程背景，探讨了基于RTK工程测量与精度分析评价方法，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：CORS系统 RTK作业 质量控制 精度分析

中图分类号：TB22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0060-02

目前，实时动态测量技术（RealTime Kinematic，简称RTK）以其实时、高效、不受通视条件限制等优点，已广泛应用于工程控制测量、像片控制测量、施工放样测量及地形碎部测量等诸多方面，倍受用户青睐。但是，相对于GPS静态测量，RTK的实时性也给测量人员提出了更高的要求。因为RTK测量缺少必要的检核条件，作业时如果操作失误或某些技术问题处理不当，都将会给测量成果带来严重影响。因此，及时了解RTK的技术特点及提高RTK测量成果精度的关键技术，对RTK测量将大有裨益。

1 RTK的原理

RTK是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。RTK测量系统通常由3部分组成，即GPS信号接收部分（GPS接收机及天线）、实时数据传输部分（数据链，俗称电台）和实时数据处理部分（GPS控制器及其随机实时数据处理软件）。

RTK测量是根据GPS的相对定位理论，将一台接收机设置在已知点上（基准站）；另一台或几台接收机放在待测点上（移动站），同步采集相同卫星的信号。基准站在接收GPS信号并进行载波相位测量的同时，通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站；移动站通过数据链接收来自基准站的数据，然后利用GPS控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS观测数据组成差分观测值进行实时处理，实时给出待测点的坐标、高程及实测精度，并将实测精度与预设精度指标进行比较，一旦实测精度符合要求，手簿将提示测量人员记录该点的三维坐标及其精度。作业时，移动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在已知点上先进行初始化后再进行动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后，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，则移动站可随时给出待测点的厘米级的三维坐标。

2 RTK的特点

2.1 RTK的误差

RTK测量的误差同GPS静态定位的误差类似，一般可分为两类，即同测站有关的误差和同距离有关的误差。

同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素影响等。其中多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差主要取决于GPS接收机天线周围的环境，若天线周围有高大建筑物或大面积水面时，将对电磁波有强反射作用。即天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号，还有从反射体反射的电磁波，这两种信号叠加作为观测量，将对定位产生误差。通常情况下，多径误差为1～5 cm，高反射环境下可达10 cm以上，且多径误差的大小常以5～20 min的周期性变化，这对RTK测量将产生严重影响。

同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。目前轨道误差只有几米，其残余的相对误差约为1×10-6D，对长度小于10 km的基线而言，其影响可忽略不计。电离层误差同太阳黑子活动密切相关，一般情况下，其影响小于5×10-6D，而当太阳黑子爆发时，影响值可达50×10-6D。对流层误差同点间距离和高差有关，一般影响在3×10-6D以内。

对于同测站有关的误差可通过各种校正方法和有效措施予以削弱，而同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离增大而加大。因此，在进行RTK测量时，除采取有效措施削弱测量误差外，还要对作业半径加以限制。

2.2 整周模糊值

研究表明，确定整周模糊值（即初始化）的时间和可靠性，是RTK系统能否实时、准确定位的关键。

在正常条件下，地面两点间距离较短时，系统能够模拟电离层和对流层的影响，其残余影响也可通过对观测值的差分处理予以消除或减弱。但电离层的电子含量会随时空发生剧烈变化，卫星信号到达基准站和移动站将有不同的影响，且基线越长，影响越大，当电离层剧烈活动时，将导致周跳或失锁，即使是短基线也需要大大延长观测时间才能固定整周模糊值，严重时（如太阳黑子爆发时）甚至根本不能固定整周模糊值。

实践证明，确定整周模糊值的时间和可靠性取决于4个因素，即接收机类型（单频或双频）、所观测卫星的个数、移动站至基准站的距离及RTK软件质量。一般地，双频RTK初始化的时间比单频RTK要短，而且同距离的关系不大；解算时采用的星数越多，RTK的精确性和可靠性越好；移动站至基准站的距离越近，其初始化的时间也越短。

2.3 数据链

RTK测量时，移动站需要实时地接收基准站播发的差分信号（观测值及相关数据），才能求定待定点的位置。因此，能否连续地、可靠地接收基准站播放的信号，是RTK能否成功的决定因素，也是制约RTK测程的关键因素。

目前，RTK系统的数据传输多采用超高频（UHF）、甚高频（VHF）和高频（HF）播发差分信号。在测绘领域的RTK应用中，无论单频或双频RTK系统，当前国际上都采用UHF电台播发差分信号，其频率大约为450～470 MHz，波长约60 cm左右。根据电磁波理论，它的传输属于一种视距传输（准光学通视），其最大的传输距离是由接收天线的高度、地球曲率半径以及大气折射等因素决定的。因此，在沙漠、戈壁、平原、海域等地区，其RTK定位的效果比较好；而在城区、山地、森林等地区进行RTK测量时，其成果质量及作业效率将受到一定影响，甚至无法进行作业。

2.4 坐标系统

RTK与GPS静态测量一样，GPS接收机接收的卫星信号经数据处理后，首先得到的是地心坐标系（WGS84）坐标，而在测绘工程中应用的通常是地方坐标系的平面直角坐标（1990年西安坐标系、1964年北京坐标系或地方独立坐标系等），其高程一般为正常高。因此，为了把MGS84坐标系坐标转换为地方坐标系坐标，作业前首先要根据坐标转换关系式求解两种坐标系间的转换参数。

3 RTK工程测量成果

3.1 工程概况

测区位于广州市市某开发区，地势总体呈现南高北低、东高西低。标高450～850 m左右，最大相对高差350 m。中部地区为平原，由南向北倾斜。标高750～810 m，相对高差仅70～80 m，坡降2.5‰～3.0‰，地势较平坦。

3.2 测量实施

在本次工程测量中，使用中海达公司生产的9900E动态GPS接收机共施了工程点86个。为了检验RTK工程点的实际所能达到的精度，RTK测量结束后，应用电子全站仪对部分相互通视工程点间的相对关系进行了实地检查，对平面和高程分别进行了三个测回观测。根据检测数据与RTK测量数据的较差和中误差计算公式±[dd]/2n，可算得相邻工程点间的边长中误差，高差中误差。在多方向测站，重新推算其他相邻点的坐标和高程，根据检测数据与RTK测量数据的较差，可算得工程点相对于相邻点点位中误差和高差中误差与地形测量中地物点点位中误差，以及相对于相邻点点位中误差之间的关系。可以推导出RTK工程点点位中误差和相邻点位中物差基本相等，因此可以推算工程点点位中误差、高程中误差。经检查，RTK实测精度完全可以达到预设精度指标。

3.3 平面、高程系统

坐标系统平面采用1954年北京坐标，高斯3°带投影，带号为39，中央子午线为东经117°，高程系采用1985年黄海高程基准。

3.4 勘查工程点测量的技术指标

勘查工程点测量的技术指标见表1。

3.5 布设与定测

使用中海达公司生产的9900E动态GPS，作业前对接收机进行了下列检验。

（1）一般检视；（2）通电检验；（3）试测检验。

在观测前基准站接收机必须严格整平对中，检查接收机是否在工作状态。仪器天线高从三个方位测量三次取平均值，对于基准站的设置必须检察无误后开始进行点位校正，校正后确认无误，开始按设计坐标布设勘探点。钻孔定测必须对中孔口标石，仪器严格对中整平，方可采集钻孔坐标。

工程测量成果见表2。

野外实际已知点检核值为：X

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