论文部分内容阅读
【摘 要】 随着科技的不断进步，全球卫星定位系统GPS在测量领域不断得到发展，特别是近几年RTK性能的不断完善，RTK更是得到大家的青睐。它操作简单，精度高，减少了工作量，提高了工作效益。RTK技术进行控制测量改变了传统的从高级到低级的作业方式，可以直接在首级控制点下布设图根点，误差无积累，在水利战线得到了广泛的运用。
【关键词】 GPS；RTK；精度；水利工程
一、基本概念的认识
全球定位系统GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星（21颗工作卫星+3颗备用卫星）以及卫星与地面点的距离交会得出地面点的位置，亦即空间的距离交会原理。其定位方法按照参考点的位置不同可分为绝对定位和相对定位。
GPS绝对定位又称单点定位，即以GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值为基础，根据卫星星历确定的卫星瞬时坐标，直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。根据用户接收机天线所处的状态不同，分为静态绝对定位和动态绝对定位。静态绝对定位的精度为米级，主要用于大地测量；而动态绝对定位的精度为10～40m，只能用于一般性的导航定位中。
GPS相对定位是用两台GPS分别安置在基线的两端，同步观测相同的卫星，通过两测站同步采集GPS数据，经过数据处理以确定基线两端点的相对位置（或基线向量）。根据定位过程中接收机天线所处的状态不同，GPS相对定位分为静态相对定位和动态相对定位（或称差分GPS定位）。静态相对定位也就是我们常说的GPS静态测量，它是通过接收机长时间连续观测获得充分的多余观测数据，解算基线向量及平差，求得控制点的坐标值。动态相对定位也称为差分GPS定位，按照提供修正数据的基准站的数量不同，可分为单基准站差分和多基准站差分。单基准站差分根据基准站所发送的修正数据的类型不同又分为位置差分、伪距差分、载波相位差分。载波相位差分又称RTK技术，通过对两测站的载波相位观测值进行实时处理，可以实时提供厘米级精度的三维坐标。
二、RTK技术的原理与误差来源
载波相位差分的基本原理是：由基准站通过数据链实时地将其载波相位观测量及基准站坐标信息一同发送到用户站（移动站），并与用户站（移动站）的载波相位观测量进行差分处理，实时地给出用户站（移动站）的精确坐标。
与RTK定位有关的误差：
①与无线数据链有关的误差
由于实施动态差分GPS定位技术的便携电台多为直接传输超高频（UHF）电台，在传输信道内部噪声及其造成的符号间干扰，不可避免地会产生错差，使得RTK流动接收机接收误码的信息，影响RTK定位结果的正确性。这类误差可归纳为：1）差分信息调制误差；2）差分信息调解误差；3）外界环境干扰影响。以上因素可通过选择或调整调制解调器相关参数，将误码率控制在最小范围之内，甚至可将误差控制在10-9数量级。
②与流动站及其观测作业有关的误差
RTK动态作业时载体瞬时姿态改正精度是一项重要的误差来源。进行动态观测作业时，在待定点P上无法实时确定天线动态瞬时姿态，如x下图所示，地面坡度或天线对中杆倾斜姿态角使P点铅垂方向A偏移B，即引起平面和高程误差，如果姿态改正分别为△P和△h，很小时，可按右图例出两项误差改正模型：
△P=h0·sin
△h=h1+h2=h0（sec-1）+h2
式中：△P——姿态角即坡度引起的平面误差；
△h——姿态角即坡度引起的高程误差.
当取h0≤2m、≤5°时，姿态角引起的平面误差△P如下表：
h0（m） △P（m）
=1° =3° =5°
1 0.017 0.052 0.087
1.5 0.026 0.078 0.130
2 0.035 0.105 0.174
从表中可以看出，姿态角引起的平面误差△P随姿态角和天线高度的增大而迅速增加。实际RTK作业时，应尽量在待定点上以静态或准动态方式用三角架置平对中和确定控制天线高度在1.5m以下。那么这项误差可望控制在±1cm左右。
一般来自地面本身的不规则起伏在0-3cm以内，当取h0≤2m、≤5°、h2=0.030m时，姿态角引起的高程误差△h如下表：
h0（m） △h（m）
=1° =3° =5°
1 0.030 0.031 0.034
1.5 0.030 0.032 0.036
2 0.030 0.033 0.038
从表中可以看出，姿态角引起的高程误差△h主要受来自地表本身的不规则起伏变化影响。
实际RTK作业时，应尽量在待定点上以静态或准动态方式置平对中和确定控制天线高度在1.5m以下。那么这项误差可望控制在1cm左右。
三、实际生产工作中应用的举例
2008年1月，我院接受了新晃县杉木塘水电站的勘测和设计任务。杉木塘水电站总装机2×4MW，为引水式发电工程，工程枢纽由挡水大坝、引水系统、厂房、输电线路、进厂公路、升压站等组成，其挡水坝址位于新晃县兴隆镇杉木塘村，厂址位于舞水河右岸波洲镇长塘坪村，两者之间为相对高差为300余米的嵩山峻岭，需开凿1.7KM的引水隧洞。需在隧洞进出口布设控制网，以指导以后掘进施工放样。考虑到RTK的精度为：平面精度为±（1cm+Dppm），高程精度为±（2cm+Dppm），完全满足我们水利水电工程测量规范精度要求。我们采用RTK做图根控制，先把大坝、遂道进出口、厂房等枢纽部分地形图以及水库库区内的淹没调查等工作做完。以后再做GPS静态控制测量。我们按照E等GPS网标准在枢纽部分共布设了5个（编号分别为：SC1、SC2、SC3、SJ0、SJ3）控制点（具体分布见控制点平面示意圖） 先用宾得S3水准仪按照四等水准要求，分别在隧道进、出口附近各埋设了一个永久水准点，作为测量高程原点并测得SC1点的水准高程为306.213米。然后我们以SC1（3029.26，36623.96，306.213）点为设站点，SC2点为后视点，罗盘测量方位角，用2″级索佳全站仪正倒镜各测量6次取平均得到SC2的坐标为（3462.221，37265.857，318.224）。有了起始基线边SC1—SC2，我们用中海达HD-5800G双频GPS进行RTK测量。采用通过测区中央的子午线作为中央子午线，测区内平均高程面为投影面建立独立坐标系，求得转换参数后，用三角架对中、整平后采集各控制点，每个点观测4次，最终成果如下表一：
表一 RTK作业控制测量成果表
点名 X（m） Y（m） Z（m）
SC1 3029.260 36623.959 306.213
SC2 3462.221 37265.857 318.225
SC3 2821.396 36784.048 330.630
SJ0 1153.031 37566.859 354.627
SJ3 938.431 37400.306 343.434
以此成果，我们用RTK及全站仪一起配合完成了所有的外业工作。经内业成图处理及内外业检查、校正，完成了数字化地形图工作，验收后提交了成果，用于设计。
为了给设计和施工提供高精度的控制测量成果并为今后类似工程积累经验，我们于工程开工前做了GPS静态测量。用3台双频GPS接收机，按照如下三角形图形进行观测：SC1-SC2-SC3；SC1-SC2-SJ0；SC1-SC2-SJ3；SC2-SJ0-SJ3；SC3-SJ0-SJ3。按照五等控制点观测要求进行观测，每测站观测时间不少于45分钟，通过HDS2003数据处理软件处理，最后平差结果如下：（见下表二、表三）
表二 GPS静态测量最终平面距离平差值
基线最弱边相对中误差
表三 GPS静态测量最终坐标平差值
点名 x y 高程 平面中误差
中误差（m） 中误差（m） 中误差（m）
SC1_ 3029.2600 36623.9600 306.2130 *****
***** ***** *****
SC2_ 3462.2210 37265.8570 318.2242 0.0033
***** ***** 0.0033
SC3_ 2821.4069 36784.0419 330.6302 0.0061
0.0047 0.0038 0.0064
SJ0_ 1153.0414 37566.8546 354.6354 0.0024
0.0015 0.0019 0.0030
SJ3_ 938.4294 37400.2953 343.3839 0.0022
0.0013 0.0017 0.0026
最弱点平面中误差
点名 x y 高程 平面中误差
中误差（m） 中误差（m） 中误差（m）
SC3_ 2821.4069 36784.0419 330.6302 0.0060
0.0047 0.0038 0.0064
從（表一）和（表三）成果来看，RTK测量的成果与GPS静态测量的成果基本相同，与静态测量成果相比较，SC3点偏差0.012m、SJ0点偏差0.011m、SJ3点偏差0.011m。即使在最不利的情况下，假设最弱点SC3点上的中误差是累加的，那么基线最弱边（SC1-SC3）相对中误差=（0.0060+0.012）/262.353=1/14575，能够满足规范的要求。
后来施工方利用我们的测量成果进行施工，隧道顺利贯通，各项贯通误差都在规定范围之内，这为以后类似工程的控制测量工作提供了宝贵的经验。
四、结束语
通过多年的实际操作与运用，本文作者得出结论：①RTK技术在小水利工程中不仅能做五等RTK平面控制点测量、图根RTK平面控制点测量、碎部点地形图测量，而且能用于库区淹没桩测量等。②在做平面控制点测量时，流动站离基准站距离要在有效服务范围内，采集时一定要采用三角架对中、整平，每次观测历元数应不少于20个，采样间隔2s∽5s，观测次数不少于4次，各次测量的平面坐标较差不应大于4cm。
参考文献：
[1]《工程测量规范》GB50026-2007.
[2]《水利水电工程测量规范》GB/T18314-2009
[3]周立，《GPS测量技术》黄河水利出版社.
[4]张孝军，林云发.GPS RTK技术的测量精度探讨[J].
[5]《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009
[6]《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》CH/T2009-2010
【关键词】 GPS；RTK；精度；水利工程
一、基本概念的认识
全球定位系统GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星（21颗工作卫星+3颗备用卫星）以及卫星与地面点的距离交会得出地面点的位置，亦即空间的距离交会原理。其定位方法按照参考点的位置不同可分为绝对定位和相对定位。
GPS绝对定位又称单点定位，即以GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值为基础，根据卫星星历确定的卫星瞬时坐标，直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。根据用户接收机天线所处的状态不同，分为静态绝对定位和动态绝对定位。静态绝对定位的精度为米级，主要用于大地测量；而动态绝对定位的精度为10～40m，只能用于一般性的导航定位中。
GPS相对定位是用两台GPS分别安置在基线的两端，同步观测相同的卫星，通过两测站同步采集GPS数据，经过数据处理以确定基线两端点的相对位置（或基线向量）。根据定位过程中接收机天线所处的状态不同，GPS相对定位分为静态相对定位和动态相对定位（或称差分GPS定位）。静态相对定位也就是我们常说的GPS静态测量，它是通过接收机长时间连续观测获得充分的多余观测数据，解算基线向量及平差，求得控制点的坐标值。动态相对定位也称为差分GPS定位，按照提供修正数据的基准站的数量不同，可分为单基准站差分和多基准站差分。单基准站差分根据基准站所发送的修正数据的类型不同又分为位置差分、伪距差分、载波相位差分。载波相位差分又称RTK技术，通过对两测站的载波相位观测值进行实时处理，可以实时提供厘米级精度的三维坐标。
二、RTK技术的原理与误差来源
载波相位差分的基本原理是：由基准站通过数据链实时地将其载波相位观测量及基准站坐标信息一同发送到用户站（移动站），并与用户站（移动站）的载波相位观测量进行差分处理，实时地给出用户站（移动站）的精确坐标。
与RTK定位有关的误差：
①与无线数据链有关的误差
由于实施动态差分GPS定位技术的便携电台多为直接传输超高频（UHF）电台，在传输信道内部噪声及其造成的符号间干扰，不可避免地会产生错差，使得RTK流动接收机接收误码的信息，影响RTK定位结果的正确性。这类误差可归纳为：1）差分信息调制误差；2）差分信息调解误差；3）外界环境干扰影响。以上因素可通过选择或调整调制解调器相关参数，将误码率控制在最小范围之内，甚至可将误差控制在10-9数量级。
②与流动站及其观测作业有关的误差
RTK动态作业时载体瞬时姿态改正精度是一项重要的误差来源。进行动态观测作业时，在待定点P上无法实时确定天线动态瞬时姿态，如x下图所示，地面坡度或天线对中杆倾斜姿态角使P点铅垂方向A偏移B，即引起平面和高程误差，如果姿态改正分别为△P和△h，很小时，可按右图例出两项误差改正模型：
△P=h0·sin
△h=h1+h2=h0（sec-1）+h2
式中：△P——姿态角即坡度引起的平面误差；
△h——姿态角即坡度引起的高程误差.
当取h0≤2m、≤5°时，姿态角引起的平面误差△P如下表：
h0（m） △P（m）
=1° =3° =5°
1 0.017 0.052 0.087
1.5 0.026 0.078 0.130
2 0.035 0.105 0.174
从表中可以看出，姿态角引起的平面误差△P随姿态角和天线高度的增大而迅速增加。实际RTK作业时，应尽量在待定点上以静态或准动态方式用三角架置平对中和确定控制天线高度在1.5m以下。那么这项误差可望控制在±1cm左右。
一般来自地面本身的不规则起伏在0-3cm以内，当取h0≤2m、≤5°、h2=0.030m时，姿态角引起的高程误差△h如下表：
h0（m） △h（m）
=1° =3° =5°
1 0.030 0.031 0.034
1.5 0.030 0.032 0.036
2 0.030 0.033 0.038
从表中可以看出，姿态角引起的高程误差△h主要受来自地表本身的不规则起伏变化影响。
实际RTK作业时，应尽量在待定点上以静态或准动态方式置平对中和确定控制天线高度在1.5m以下。那么这项误差可望控制在1cm左右。
三、实际生产工作中应用的举例
2008年1月，我院接受了新晃县杉木塘水电站的勘测和设计任务。杉木塘水电站总装机2×4MW，为引水式发电工程，工程枢纽由挡水大坝、引水系统、厂房、输电线路、进厂公路、升压站等组成，其挡水坝址位于新晃县兴隆镇杉木塘村，厂址位于舞水河右岸波洲镇长塘坪村，两者之间为相对高差为300余米的嵩山峻岭，需开凿1.7KM的引水隧洞。需在隧洞进出口布设控制网，以指导以后掘进施工放样。考虑到RTK的精度为：平面精度为±（1cm+Dppm），高程精度为±（2cm+Dppm），完全满足我们水利水电工程测量规范精度要求。我们采用RTK做图根控制，先把大坝、遂道进出口、厂房等枢纽部分地形图以及水库库区内的淹没调查等工作做完。以后再做GPS静态控制测量。我们按照E等GPS网标准在枢纽部分共布设了5个（编号分别为：SC1、SC2、SC3、SJ0、SJ3）控制点（具体分布见控制点平面示意圖） 先用宾得S3水准仪按照四等水准要求，分别在隧道进、出口附近各埋设了一个永久水准点，作为测量高程原点并测得SC1点的水准高程为306.213米。然后我们以SC1（3029.26，36623.96，306.213）点为设站点，SC2点为后视点，罗盘测量方位角，用2″级索佳全站仪正倒镜各测量6次取平均得到SC2的坐标为（3462.221，37265.857，318.224）。有了起始基线边SC1—SC2，我们用中海达HD-5800G双频GPS进行RTK测量。采用通过测区中央的子午线作为中央子午线，测区内平均高程面为投影面建立独立坐标系，求得转换参数后，用三角架对中、整平后采集各控制点，每个点观测4次，最终成果如下表一：
表一 RTK作业控制测量成果表
点名 X（m） Y（m） Z（m）
SC1 3029.260 36623.959 306.213
SC2 3462.221 37265.857 318.225
SC3 2821.396 36784.048 330.630
SJ0 1153.031 37566.859 354.627
SJ3 938.431 37400.306 343.434
以此成果，我们用RTK及全站仪一起配合完成了所有的外业工作。经内业成图处理及内外业检查、校正，完成了数字化地形图工作，验收后提交了成果，用于设计。
为了给设计和施工提供高精度的控制测量成果并为今后类似工程积累经验，我们于工程开工前做了GPS静态测量。用3台双频GPS接收机，按照如下三角形图形进行观测：SC1-SC2-SC3；SC1-SC2-SJ0；SC1-SC2-SJ3；SC2-SJ0-SJ3；SC3-SJ0-SJ3。按照五等控制点观测要求进行观测，每测站观测时间不少于45分钟，通过HDS2003数据处理软件处理，最后平差结果如下：（见下表二、表三）
表二 GPS静态测量最终平面距离平差值
基线最弱边相对中误差
表三 GPS静态测量最终坐标平差值
点名 x y 高程 平面中误差
中误差（m） 中误差（m） 中误差（m）
SC1_ 3029.2600 36623.9600 306.2130 *****
***** ***** *****
SC2_ 3462.2210 37265.8570 318.2242 0.0033
***** ***** 0.0033
SC3_ 2821.4069 36784.0419 330.6302 0.0061
0.0047 0.0038 0.0064
SJ0_ 1153.0414 37566.8546 354.6354 0.0024
0.0015 0.0019 0.0030
SJ3_ 938.4294 37400.2953 343.3839 0.0022
0.0013 0.0017 0.0026
最弱点平面中误差
点名 x y 高程 平面中误差
中误差（m） 中误差（m） 中误差（m）
SC3_ 2821.4069 36784.0419 330.6302 0.0060
0.0047 0.0038 0.0064
從（表一）和（表三）成果来看，RTK测量的成果与GPS静态测量的成果基本相同，与静态测量成果相比较，SC3点偏差0.012m、SJ0点偏差0.011m、SJ3点偏差0.011m。即使在最不利的情况下，假设最弱点SC3点上的中误差是累加的，那么基线最弱边（SC1-SC3）相对中误差=（0.0060+0.012）/262.353=1/14575，能够满足规范的要求。
后来施工方利用我们的测量成果进行施工，隧道顺利贯通，各项贯通误差都在规定范围之内，这为以后类似工程的控制测量工作提供了宝贵的经验。
四、结束语
通过多年的实际操作与运用，本文作者得出结论：①RTK技术在小水利工程中不仅能做五等RTK平面控制点测量、图根RTK平面控制点测量、碎部点地形图测量，而且能用于库区淹没桩测量等。②在做平面控制点测量时，流动站离基准站距离要在有效服务范围内，采集时一定要采用三角架对中、整平，每次观测历元数应不少于20个，采样间隔2s∽5s，观测次数不少于4次，各次测量的平面坐标较差不应大于4cm。
参考文献：
[1]《工程测量规范》GB50026-2007.
[2]《水利水电工程测量规范》GB/T18314-2009
[3]周立，《GPS测量技术》黄河水利出版社.
[4]张孝军，林云发.GPS RTK技术的测量精度探讨[J].
[5]《全球定位系统（GPS）测量规范》GB/T18314-2009
[6]《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》CH/T2009-2010