ＧＰＳ ＲＴＫ应用的风险分析与技巧提示

袁香奎

摘要:文章主要对GPS RTK 应用的风险分析,结合了笔者的一些个人经验作了一些技巧的提示。

关键词:GPS RTK应用;风险分析;技巧提示

中图分类号:P228文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)21-0153-02

一、工作原理

GPS RTK(Real Time Kinematic)技术又称载波相位动态实时差分技术。它的出现使测量野外工作变得更加轻松,更加有效,更加灵活。真正实现多快好省。

GPS RTK技术系统主要包括基准站、流动站和数据链三部分。它们之间好比接力棒,首先基准站接收机连续接收所有可视GPS卫星信号,并将测站点的坐标,伪距观测值,载波相位观测值,卫星跟踪状态等通过无线数据链发送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站个项数据,而且还要同步观测采集GPS卫星载波相位数据,并在系统内对差分观测值进行实时处理,求解载波相位的整周模糊度(卫星与接收机之间的载波的整数),依据基准站和流动站之间的动态相关性,参入不同坐标系之间的数学模型拟合,得出流动站的三维坐标值。由于它使用的载波无线信号容易受到干扰,因而它的使用在某些场合有一定的风险。目前国家也无GPS RTK 作业模式的国标规范,成果精度一直受到质疑。尽管如此,它的快速时效却受到了测量人的倍加钟爱。

二、GPS RTK风险因素分析

影响RTK作业精度的主要原因是源于整个GPS系统的局限性,其次是来源于RTK传输数据链本身,RTK数据链的传输与相关环境有较大的依赖关系。

1.卫星信号。卫星信号是GPS RTK测量的核心。只有稳定连续可靠穿透能力强,卫星分布均匀的射频卫星信号,才能有效捕捉清晰度高,活力四射的卫星信号,如若受到干扰,轻则可能发生信号衰减重则发生信号畸变,初始化无法实现,直接产生观测误差。主要表现为电离层延迟和对流层延迟,使得卫星信号的传播速度发生变化,伤及卫星信号的传播路径。

2. 气象因素。任何测量技术,不论是光学的还是RTK ,必须处理大气误差,通常用PPm表示。传统的光学测量是根据当地的温度和气压条件计算大气改正。而RTK是以固化软件提供的建模格式处理动态变化的大气,算法更加复杂。当天气发生急剧变化时,RTK观测值将会出现粗差,当太阳黑子活动频繁时,电离层将会对卫星信号产生折射误差。

3.外界环境。由于测量工作无处不在,GPS RTK的应用环境也有所不同。在建筑密集区或树林茂密区,高度截止角过小,空间不够开放,影响电磁波的传播。在强电磁场或辐射源附近作业,卫星信号会被磁力吸收,使卫星信号难过这样的鬼门关。在碧波万顷的大面积水域进行GPS RTK 作业时,水面恰似一面镜子,将电磁波信号反射得所剩无几,使数据链发生断链。另外,RTK测量的精度随着基准站与流动站距离的增长,精度会逐渐降低,当距离达到一定值时,误差将显著增大,甚至发生突变。

4.校正点精度。如果校正点精度较低,通过误差传播,流动站得到的三维坐标也会带有系统偏差。求解平面或高程转换参数时,如果对出现的粗差处理不当,将直接影响测量精度。

5.高程异常。我们知道,地面点沿椭球法线到参考椭球面的距离叫做大地高,地面点到似大地水准面的距离叫正常高,似大地水准面与椭球面之间的距离称为高程异常。在一定范围内,高程异常值可能不为常量,尤其在高程异常变化剧烈地区,这就使得高程拟合存在“跑题”的风险。

6.观测时间。GPS依靠的是接收从地面以上约2万公里的卫星发射来的信号,卫星的运转是动态变化的,围绕地球的转动,卫星相对于地球某点的视场角发生变化,造成某一时段通道的信噪比强,某一时段又很差,根据经验,如中午11点至下午3点半这段时间,卫星星信号相对较差,因而合理选择作业时间,对于避让粗差风险至关重要。

7.客观因素。有关研究表明,RTK确定整周模糊度的可能性不足95%,致使RTK成果的精度降低,这也是RTK测

量规范迟迟未能出台的原因之一。

三、降低风险的措施

1.编制卫星可见性预报。RTK作业前要进行严格的卫星预报,选取PDOP<6,卫星数>6的时间窗口。编制预报表时应包括可见卫星号、卫星高度角和方位角、最佳观测卫星组、最佳观测时间、点位图形、几何强度因子(PDOP值)等内容。卫星预报表的有效期以20天为宜,当超过20天时,应重新采集一组新的概略星历进行预报。卫星预报时应采用测区中心的经纬度。当测区较大时,应分区进行卫星预报。

2.优化观测环境。选站时应尽可能使测站附近的小环境(地形,地貌,植被,天气等)与周围的大环境保持一致,以减少气象元素的代表性误差。尽可能把基准站选在地势较高的地方,以增大基准站无线电有效的发射距离,方便播发差分改正信号。接收机周围视场内障碍物的高度角小于15°,尽可能避开障碍物的影响,以减少多路径误差。尽可能远离大功率无线电发射源,远离高压输电线和微波无线电信号传送通道,因为基准站接收机一旦卫星信号失锁,将会直接影响网络内流动站的正常工作。

3.强化观测手段。进行RTK测量时,浮点解时会出现点位坐标漂移误差,即使是固定解,也难免有个别点超限,这时要考虑二次初始化。初始化可以采用静态、OTF两种。初始化时间的长短与距基准站的距离有关,距离越近,初始化越快。在距离一定时,增加相同点的观测时间长度,不同时间段的测回数,增加不同点的重复观测数,不同时间段的重复卫星数。数据在后处理过程中,首先剔除粗差点,同一时间段观测值的数据剔除率宜小于10%

4.加强成果监测与查验。由于RTK技术目前正处于推广应用阶段,外业工作应加强对RTK成果的监测与查验。对RTK成果的外业检查可以采用下列方法进行:

(1)与已知点成果的比对检验;

(2)重测同一点的检验;

(3)已知基线长度测量检验;

(4)不同基准站对同一测点的检验。

四、成果比较与精度分析

在宁安铁路(南京至安庆)征地放线测量中,我们使用美国天宝Trimble 接收机两台,采用1+1的作业模式,对宁安铁路马鞍山段拨地定桩,工地校正时解算的残差分量控制在3cm以内。作业过程对每个点独立观测二次,二次观测值较差均小于2cm。对已知点检测,点位中误差均小于1cm。在马鞍山市政道路测量项目中,我们时常采用南方测绘仪器公司生产的灵锐S82型双频机进行控制点三维坐标测量,尔后又使用四等水准方式测定各控制点的高程,通过两种测量方法的比较,不难发现,95%以上的控制点高程较差均小于5cm。

从网络论坛、各类文献及众多测量应用结果分析,GPS RTK技术的测量误差分布均匀,相互独立,不存在误差积累,精度可靠度较高。通过采用二次初始化后的观测值能够有效地控制粗差出现的概率,另外,加大控制点的检核力度,也能很好解决RTK成果的可靠性问题。

五、技巧提示

1.从RTK硬件设备特性和观测精度、可靠性及可利用性综合考虑,现阶段RTK的观测条件应满足下列基本要求:

观测窗口状态 卫星数 卫星高度角 PDOP值

良好窗口≥5 20°以上 ≤5

勉强可用的窗口 415°以上 ≤8

避免观测的窗口 415°以上 ≥8

不能观测的窗口≤3

为了削弱电离层延迟所引起的定位精度损失,在长基准测量中使用双频接收机,对观测数据进行实时电离层延迟改正,但对于单频机而言,可以提高卫星高度截止角,减少其不利影响。针对对流层延迟情况,多采用随机过程模拟和滤波方法进行参数估算及函数逼近方法改正。

2.构造良好的GPS网型,最好以封闭式闭合环和子环路线为主,不要有开放式的网型结构,如果条件允许,应优先构造连续三角网型,网型中间尽量均匀分布有平面和高程起算点。

3.基准站的选择必须要远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200米外,要远离高压输电线路、通信线路50米外。控制点的距离要小于RTK有效作业半径的2/3倍。为方便对RTK测量成果进行检核,避免出现RTK辐射盲点,在测区工作环境不良地区应适当增加基准站的站址。

4.由于流动站一般采用缺省2m高度的流动杆作业,当高度不同时,应修正此值。在信号受影响的点位,为提高效率,可将接收移到开阔处或升高天线,吸引卫星信号,待卫星信号锁定后,再小心无倾斜地移回到待定点或放低天线,一般可以初始化成功。

5.RTK作业尽量在天气良好的状况下作业,尽量避免雷雨天气。夜间作业精度一般优于白天。