测绘工作中GPS—RTK技术探讨与应用 论文发表网__墨水学术,论文发

所属栏目：智能科学技术论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:194

副标题#e#
　　吴争吴娟
　　济宁市国土资源局任城区分局山东济宁272000
　　【摘要】：当前在测绘工作中，GPS-RTK以其定位精度高、效率快、不要求点位相互通视、自动化程度高、误差积累小、测绘成果统一、操作简单、全天候等优点，在测绘各个领域被广泛运用。GPS-RTK是实时快速动态定位且目前精度最好的差分测量技术已比较成熟。本文根据在野外测量中发现的情况进行了有针对性的论述。
　　【关键词】：GPS-RTK；参数分析；高程测量；注意问题
　　1、RTK测量的原理、误差分析及参数转换
　　1．1定位方法概述
　　在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，自身也要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬时得到定位结果。基准站和流动站必须保持4颗以上相同卫星相位的跟踪和必要的几何图形，流动站则随时给出厘米级定位精度，其流程如图1所示。
　　
　　1．2定位误差分析
　　在GPS-RTK定位过程中，存在着3部分误差。第1部分是每一个用户接收机所公有的。例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差、传播延迟误差等。第2部分为各用户接收设备所同有的。例如内部噪声、通道延迟轨道误差、天线相位中心变化、接收机位置误差、信号干扰、多路径效应、天线姿态误差、气象因素等。第3部分为基准转换误差。例如已知控制点的误差、坐标系统转换误差、大地水准面差距的内捕误差等。第1部分误差中卫星钟误差、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；第2部分误差中天线相位中心变化可以消除，其余部分要采用专门措施加以削弱，其残余误差有时对RTK影响非常严重。第3部分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。
　　1．3求取测区坐标的转换参数问题合理选择控制网中已知的WGS-84和北京54
　　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GPS-RTK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WGS-84坐标和当地坐标，在内业计算得到坐标转换参数，直接将参数输人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WGS84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WGS-84坐标自动转换为北京54坐标。
　　④在内业计算七参数转换时，无专业软件可将WGS-84系坐标和54系的公共坐标代入布尔莎或其它转换模型，得到误差方程矩阵。利用EXCEL中的MINVERSE(array)和MMULT(ar—ray)函数分别返回矩阵的逆矩阵和两矩阵的乘积，进而求得七参数。或用Matlab软件也较容易求取七参数。
　　2、高程测量的方法、措施及应用分析
　　2．1GPS-RTK高程测量的方法
　　GPS-RTK由于受区域性似大地水准面的精度、坐标系统不一致性的影响，其高程精度一直被认为不可靠。因此，GPS-RTK在我国高精度高程测量中应用较少。
　　若使用本地区参考椭球面为基准，还应考虑到本地椭球面与WGS一84椭球面之间的差异。因为GPS—RTK测得的是以WGS一84椭球面为基准的大地高，所以要顾及两椭球面之间的高程异常差。
　　高程异常的确定方法，可以分为几何解析法和重力法两类。几何解析法是用一个一次或高次的解析多项式拟合出测区的似大地水准面，进而内插出GPS-RTK点#p#副标题#e#上的高程异常值。
　　重力法是通过计算附近的地面重力测量资料求解大地水准面的非线性变化部分，应用中通常需结合地形数字模型和地球重力场模型数据，以反映地形起伏的影响和大地水准面的长、短波特性。
　　利用重力法计算高程异常值在工程测量中是不切合实际的，考虑到工程测量控制网的范围较小，似大地水准面的变化比较平缓，因此，通过一些联测水准的GPS点，求得各点的高程异常值，再用平面拟合的方法来逼近似大地水准面，以求得其GPSRTK点的高程异常，从而达到将大地高转换为正常高的目的。
　　2．2GPS-RTK高程测量的试验数据分析
　　GPS-RTK的平面定位精度在有精确七参数转换能达到毫米级，并已在生产实践中得到广泛验证。但在高程方面由于地理位置的变化，似大地水准面和高程基准面之间的关系不确定性成为高程精度的制约因素。从理论上讲，对于一个地形起伏不大的地方，似大地水准面与高程基准面给GPS-RTK测高带来的影响较小，而对地形复杂区则影响较大。
　　对此在某较复杂地区进行了试验，高程起算数据采用多项式二次拟合法，每次参与高程起算的控制点不少于6个，对基准站仪器高的测量、流动站对中杆的摇晃、GPS通讯信号等误差来源不作分析，用球气差、竖盘指标差改正的高精度全站仪共检查GPSRTK高程点248个，检查较差表限于篇幅就此省略，其误差分布范围如表1所示。由比较数据计算其差值△H的中误差为
　　
　　
　　平均误差Aσ=39．7mm。取二倍中误差为限差，则△容一2a=±122．1mm。则本次试验有12个点超限，占总数的4．8％，结合数据与表1可以看出，其误差分布满足偶然误差分布的几个特征，该样本成正态分布。其结果满足《城市测量规范》中山地、丘陵大比例尺测图图根点的高程精度要求，也满足一般工程测量放样点的高程要求。
　　2．3提高GPS-RTK高程测量精度的措施
　　①提高大地高测定的精度。大地高测定的精度是影响GPS-RTK高程测量精度的主要因素之一。
　　这可以从提高起算点精度，缩短基线距离，采用双频机，精确量取仪器高和流动站高，选择最佳的卫星分布，减弱多路径误差和对流层延迟误差等几方面改善。
　　②根据测区似大地水准面变化情况，合理地布设已知点。一个局部GPS-RTK网中最小联测几何水准的点数，不能少于选用计算模型中未知参数的个数。根据不同的测区，选取合适的拟合模型，并且应对已知点进行检核，以减小因已知点精度低而带来的损失。对于山区地形，要加地形改正；对含有不同趋势地区的大测区，可采用分区计算的办法等。
　　③联测几何水准的点位，应均匀布设于测区。测区周围应有几何水准联测点，由这些已知点连成的多边形，应包围整个测区。拟合GPS-RTK计算时不宜外推，否则会发生振荡。
　　3、作业应注意的若干问题
　　3．1有关基准站的问题
　　RTK技术的关键在于数据处理和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。
　　①电台天线要尽量高。如果距离较远，要使用增高天线。电源电量要充足，否则会影响作业距离。
　　②设站时要限制最大卫星使用数。一般为8颗，如果太多，则影响作业距离；太少，则影响RTK初始化和PDOP值。
　　③如果不使用七参数，则在设置基准站时要使WGS一84坐标系处于关闭状态；如果使用七参数，则△X、△y、△Z都小于±100m较好，否则重新评估检查起算点。
　　④为避免多次手工输入基准站坐标产生的错误，基准站坐标要在室内尽量上传到内存卡，野外设站时直接从内存卡中调出坐标即可。
　　3．2有关流动站的问题
　　①解的记录限制要为RTK固定解。
　　②数据链接受间隔要与基准站设置的发射间隔一致。
　　③高程改正要在天线高里去改正。
　　④差分天线要尽可能的高。
　　⑤流动站与参考站之间#p#副标题#e#的距离要限制；RMS和PDOP值设置要满足规范要求。目前，GPS系统卫星总数已达29颗，如用于城市图根控制测量，RMS值小于5cm较合适，在信号差地区作业时，PDOP值仍有可能较大，一般限制在小于12cm较好。
　　3．3有关作业时的问题
　　①我国国土地形、地物、地貌比较复杂多变，为提高作业的精度和获取完整的数据，作业人员要根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。卫星的几何分布越好，定位精度就越高。卫星的分布情况可以用GPS平差软件查看多项预测指标，根据预测结果合理安排工作计划，达到特殊工作的要求和目的。
　　②数据的处理主要查看PDOP值是不是超限，放样精度是不是达到作业精度的要求，基线距离是不是在规定的距离范围内等等，如达不到要求需考虑结合全站仪测量。
　　③少数测区存在一些干扰源，造成RTK测量质量不正常。导致观测成果出现较大误差，甚至有伪值现象。这种情况观测时不易发现，可从手簿上反映出收敛很慢，求得固定解一般需要几十秒甚至几十分钟才能完成，其收敛值一般在2～8cm之间。这时手簿上显示的收敛值可能不完全真实，有时测量误差可能达到几十厘米甚至几米。当出现此种情况时，要慎重对待采集的数据，最好重置整周模糊度
　　重复采集数据以检核观测质量，或用另一台流动站重复采集数据来判定观测质量。
　　④天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，初始化时间长甚至不能初始化，达不到测量要求。GPS-RTK半径比其标称半径要小很多，工程实践和专门研究都证明了这一点，解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。
　　⑤高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS-RTK大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。
　　4、结束语：
　　对GPS-RTK的测量原理、误差分析及参数转换等进行简要阐述，并介绍GPS-RTK高程测量的方法。通过高精度全站仪观测数据与GPS-RTK高程数据进行分析、比较，指出在GPS-RTK高程测量中应该注意的问题，并针对生产实践中存在的作业问题，找出提高GPS-RTK高程测量精度的有效措施，旨在增广GPS-RTK技术的应用前景，提高其测量成果的精度。