水利工程测量中GPS-RTK 的应用探讨

李剑

（黔西南州水利水电勘测设计研究院，贵州 兴义 562400）

1 引言

载波相位差分技术，又称RTK（Real－TimeKinematic）实时动态定位技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。能够实时提供测点（用户站）在指定坐标系的三维坐标成果，在测程20km 以内可使三维定位精度达到厘米级，是GPS 测量技术与数据传输技术相结合的产物，实现了GPS 测量技术发展中的一个新的突破，具有实时定位速度快、抗干扰性能好、保密性强、误差不累积、操作简便、自动化程度高、节省人力、成本低、全天候作业等特点，现已广泛应用于海上精密定位、工程放样、地形测图和地籍测量等领域。多年来，我院在使用GPS-RTK 进行水利工程测量时也遇到了一些困难和问题，本文针对这些在生产过程中出现的难点问题进行分析，并提出解决问题的办法。

2 RTK 的基本原理

RTK 称实时动态载波相位差分。其设备是在两台静态型测量仪器间加上一套无线电数据通讯系统（也称数据链），将相对独立的GPS 信号接收系统连成一个有机整体。基准站把接收到的所有卫星信息（包括伪距和载波相位观测值）和基准站的一些信息（如基准站的坐标、天线高等）都通过通讯系统传送到流动站，流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的卫星数据，在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传到控制器内（一般是微型计算机），并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求解得出两站间的基线值，同时输入相应的坐标、转换参数和投影参数，即可实时求得实用的厘米级的流动站坐标。

3 RTK 作业中出现的问题与处理方法

3.1 大地高向正常高的转化

GPS 仪器直接测出的是WGS-84 坐标系下的大地高，经七参数（或三参数等）转换可变成地方坐标系下的大地高。大地高与正常高的关系是： H=H常+ζ

其中，H 为大地高，H常为正常高，ζ为高程异常值。而水利工程需要的测量结果一般是正常高，这样一来快速准确地求解ζ成为首要问题。求解ζ的方法很多，常用的有等值线图法、高程拟合法和大地水准面模型法，也可利用软件直接求得。

在高程异常值变化比较小的地方测量，例如平原地区，可采用在基准站直接输入北京54 平面坐标。用基准站的高程改正数去改正流动站的高程，直接得出流动站的正常高。而在高程异常值变化比较大的地方，例如山区，再用上述简单的方法，则测出的正常高误差较大，很难满足工程要求，解决办法是：①野外用大地坐标放样或测量，得出每点的大地高，用当地高程异常模型进行改正；②用地方平面坐标放样或测点，得出基于基准站高程异常值的海拔高，用高程异常值差值（可从异常图上量取）进行改正；③利用高程拟合法求取。

3.2 初始化

RTK 测量模式，一般需流动站在某一起始点上，静止地观测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。现在的双频接收机都具有OTF（on the fly）初始化模式，在运动中就能完成初始化，速度快，可靠性高。但在实际RTK 测量时我们发现，有时也存在着初始化困难的现象。

如果流动站无法完成初始化，在流动站上要依次检查：①四周有无障碍物及干扰源；②有无电台信号；③收到的卫星数量及质量；④离基准站是否较远；⑤接收机与手簿和天线之间是否连接正常。在基准站检查：①基准站是否正确启动并通过电台发射数据；②电台电源电压是否较低；③电台是否存在干扰源（一般的PDL 电台存在干扰源时指示灯亮或闪烁）。除此之外，还要检查流动站电台频率与基准站电台频率是否一致。通过以上检查，排除干扰后，一般都能获得初始化。

还有一种特殊情况，既在排除以上提到的干扰后仍然无法完成初始化，这时就要考虑是否是卫星信号的质量问题。有时在某一时间的某一地区，初始化就很难完成。例如，我院在某水库工程地形测量过程中，流动站处在开阔地带，能接收到8 颗卫星（卫星截止高度角 13°，PDOP≤6），电台信号良好，离基准站只有3km 远，此时初始化却无法完成。经反复检查发现流动站和基准站上接收到的卫星虽然都是8 颗，但其个别卫星L1 和L2波段上的信号有所不同。在基准站上，15 号和29 号卫星只有L1 波段，L2 波段上无信号，而在流动站上，这两颗卫星的L1 和L2 波段信号良好，由此造成无法初始化。解决办法是在流动站上关闭15 号和29 号卫星信号的接收，尽管仍然接收基准站电台的这两颗卫星的信号，但它们已不参与解算，初始化顺利完成。实践表明，在多数情况下基准站和流动站接收到卫星的L1 和L2 波段的信号会有所不同，如果无法完成初始化，可尝试使用上述方法。

3.3 RTK 施测困难地区

由于在山区、密林中或城市高楼密集地带，收不到基准站信号或时有时无，流动站卫星信号接收不好，导致RTK 作业非常困难。通过多次实践，采用以下方法可提高工作效率：①基准站点设置必须开阔，无明显障碍物遮挡，电台功率调到最大，电台天线尽可能架高；②把流动站GPS 电台天线架高；③使用电台中继站；④架双基准站工作；⑤开通网络通讯技术。

4 伪值

在进行RTK 测量时，要求在初始化成功后，解的类型为固定解，而不是浮动解，才能进行测量，这时精度能达到厘米级。尽管很多接收机的初始化可靠性达99.9%或以上，但由于受卫星信号、接收时间、后处理软件、环境因素等各方面影响，有时在固定解的情况下进行测量，其测量结果经检核发现，同一个检测点，在排除一切误差干扰的情况下，平面位置相差30多厘米，高程相差40多厘米，出现了伪值现象。例如，我院在某水库输水工程测量过程中，使用某名牌GPS 接收机进行RTK 测量，第二天检核重复点发现以上问题，详见表1。当时检核点周围无明显障碍物，且无干扰源。为查明原因，我们以施工控制网（D 级）中的D10、D12 为起算点，以G73 和G74 为未知点做了一个时段的静态测量，经内业处理分析后得知，第一天的RTK 数据是错误的。进一步检查外业电子手簿，发现有误的这些点是在初始化丢失后，又重新初始化成功后测得的。

防止出现伪值的办法有：①每日开始测量前，复测两个以上已知点（可以是控制点、图根点、放样点等）；②初始化丢失后，应关闭流动站接收机电源后再重新开启接收机进行初始化，若在未关闭流动站接收机电源的情况下进行新的初始化，在测量前要复测两个以上已知点；③外业工作时注意高程值的变化，看是否与实际相符，有无异常高程值，因为出现伪值时，高程变化较大；④内业处理时，注意高程变化异常的点，第二天去复测这些点。

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5 结语

GPS-RTK 测量技术的应用，使得测绘外业生产效率和测绘成果的质量有了质的飞跃。合理的分析和解决在使用GPS-RTK 作业过程中出现的问题，将有利于提高测量成果的可信度，做到及时发现、及时解决，提高作业效率和工程质量，更好地为其它专业的工作打好基础。