RTK航道测量技术及作业步骤研究

何志敏

摘要：本文基于笔者多年从事海洋测绘的相关工作经验，以RTK技术在海洋测绘中的应用为研究对象，论文重点论述了航道测量的基本作业步骤和转换参数的求取方法，探讨了影响航道测量精度的因素和应该采取的对策，最后提出了笔者的简介，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：RTK 航道测量 转换参数 精度

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（b）-0021-02

1 实时差分GPS测量技术

RTK测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在流动站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示流动站的三维坐标及其精度。

（1）卫星信号接收系统在实时动态定位测量系统中。应至少包含两台GPS接收机，分别安置在基准站和流动站上。当基准站同时为多用户服务时，应采用双频GPS接收机，其采样率与流动站采样率最高的相一致。（2）数据传输系统（数据链）。由基准站的数据发射装置与流动站数据接收装置组成，它是实现实时动态测量的关键性设备。其稳定性依赖于高频数据传输设备的可靠性与抗干扰性。为了保证足够的数据传输距离及信号强度，一般在基准站还需要附加功率放大设备。（3）软件解算系统。实时动态定位测量的软件解算系统对于保障实时动态测量结果的精确性与可靠性，具有决定性的作用。

2 转换参数的求取方法研究

根据RTK的原理，参考站和流动站直接采集的均为WGS84坐标，参考站一般以一个WGS84坐标作为起始值，实时地计算点位误差并由电台发射出去，流动站同步接收WGS84坐标并通过电台来接收参考站的数据，条件满足后就达到固定解，流动站就可实时得到高精度的相对于参考站的WGS84三维坐标，这样就保证了参考站与流动站之间的测量精度。如果要附合到已知点上，需要把原坐标系统和现有坐标系统之间的转换参数求出来。

RTK直接测量的坐标属于WGS84坐标系，而我们通常使用的是1954年北京坐标系、1980西安坐标系和地方坐标系，所以必须进行坐标系的转换。由于它们之间并不是一个椭球，如果要求得精确的转换参数，通常有七参数法和四参数法两种。转换参数的求取方法：一是使用已有的静态数据；二是采取现场采集的方法，通过键入一定数量控制点的地方坐标，然后在这些控制点上采集WGS84坐标，通过点校正得到最佳转换参数，其转换参数的准确性与控制点的数量及分布有关。四参数和七参数并不是一个概念，四参数是同一椭球不同坐标系之间的转换参数，表示为△X、△Y、A（旋转角）、K（尺度比），七参数是两个不同椭球之间的转换参数，表示为△x、△y、△z、△α、△β、△γ、△κ，三个平移、三个旋转和一个尺度参数。四参数和七参数是不能同时使用的，两者只能选其一，在具体测量时怎么确定这两种参数是一个关键问题。

求取四参数是把WGS84的原始经纬度作为北京54经纬度处理，这样一来就可以通过采集两个或两个以上的北京54已知点来求取。而七参数的求解方法一般是靠控制测量即静态测量，通过平差软件进行处理后自动求出七参数，在进行RTK测量时可直接输入使用。七参数相对于网参数来说，可以认为是更准确、精度更高，有条件的话尽量使用七参数。拟合参数是指高程拟合参数，在需要高精度的正常高高程值时，用RTK测量必须合理地求解高程拟合面，这样才能满足一般作业要求。

3 GPSRTK测深技术原理研究

随着GPS全球定位技术的不断发展，GPS实时动态测量在实时导航定位方面的应用越来越广泛。目前GPS定位中应用较多的是DGPS技术，这是一种采用简单的码数据（波长300m）相位平滑的技术，定位精度在nm级，水下地形高程则需要通过验潮确定。对于大比例尺的水下地形测量或作业区远离陆域不便于验潮的地方，DGPS技术已难于满足要求，而GPS实时动态相位差分（RTK）是一种直接应用L1和L2载波（波长分别为19cm和24cm）相位的GPS定位技术，它在三维坐标上可以提供cm级的精度，在水下地形测量中无需通过验潮确定泥面高程，这种方法称为GPS无验潮测深。

假定参考站天线高为h1，参考站的正常高为h2，流动站的天线高为h3，参考站GPS天线处的正常高和大地高分别为h4、h5，流动站GPS天线相位中心的大地高和正常高分别为h6、h7，换能器的瞬间高程为h8，测点高程为h。由图1中可以看出。

根据GPS差分原理，参考站与流动站间的距离小于30km，可认为下式成立：

则换能器的瞬间高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。换能器的瞬间高程确定后，所测的水底点的高程就很容易求出：h=h8-测深仪所测的深度。

这样就实现了在水深测量中，无需通过验潮来确定泥面高程，这种方法称为GPS无验潮测深。众所周知，动吃水发生在垂直方向，在实时动态定位时，该方向上的位移量可通过架设在船体中心上方的GPS天线相位中心的瞬间高程信息获得，该高程减去GPS天线到换能器的垂距，便是换能器发射面的瞬间高程，而换能器测量的深度正是建立在该高程的基础上，因而说，船体的动态吃水不用专门去测定，换能器的瞬间高程已经包含了该信息。这是无验潮测深模式所特有的，也是相对传统方法测量精度较高的原因所在。

4 航道测量的基本作业步骤

航道测量的作业系统主要由GPS接收机、数字化测深仪、数据通信链和便携式计算机及相关软件等组成。测量作业分三步来进行，即测前的准备、外业的数据采集测量作业和数据的后处理形成成果输出。

4.1测前的准备

（1）求转换参数。

①将GPS基准站架设在已知点A上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、发射间隔及最大卫星使用数，关闭转换参数和七参数，输入基准站坐标（该点的单点84坐标）后设置为基准站。②将GPS移动站架设在已知点B上，设置好参考坐标系、投影参数、差分电文数据格式、接收间隔，关闭转换参数和七参数后，求得该点的固定解（84坐标）。③通过A、B两点的84坐标及当地坐标，求得转换参数。

（2）建立任务，设置好坐标系、投影、一级变换及图定义。

（3）作计划线。如果已经有了测量断面就要重新布设，但可以根据需要进行加密。

4.2外业的数据采集

（1）架设基准站在求转换参数时架设的基准点上，且坐标不变。

（2）将GPS接收机、数字化测深仪和便携机等连接好后，打开电源。设置好记录设置、定位仪和测深仪接口、接收数据格式、测深仪配置、天线偏差改正及延迟校正后，就可以进行测量工作了。

4.3数据的后处理

数据后处理是指利用相应配套的数据处理软件对测量数据进行后期处理，形成所需要的测量成果——航道图及其统计分析报告等，所有测量成果可以通过打印机或绘图机输出。

5 影响航道测量精度的几种因素及相应对策

5.1水下地形点高程的误差主要来源

（1）仪器误差：GPS接收机和测深仪精度。（2）转换误差：由于实时相位差分得到的是WGS84坐标下的高程，属于大地高程系统，如工程采用其他高程系统，这就需要把测得的大地高程转换成相应高程。（3）其他误差：如动吃水、风浪造成的测深船起伏和摇摆等。由于GPS天线与测深仪换能器之间为一固定值，因此测深船的垂直起伏不会给水下地形测量精度带来影响，如动吃水、波浪等影响可以消除。

在实际的使用无验潮方式进行航道测量时，测量结果精度会由于船体的摇摆、采样速率、同步时差及RTK高程的可靠性等因素造成的误差的影响，这些误差远远大于RTK定位误差，从而成为无验潮方式航道测量精度提高的瓶颈因素。

5.2船体摇摆姿态的修正

船的姿态可用电磁式姿态仪进行修正，修正包括位置的修正和高程的修正。姿态仪可输出船的航向、横摆、纵摆等参数，通过专用的测量软件接入进行修正。

5.3采样速率和延迟造成的误差

GPS定位输出的更新率将直接影响到瞬时采集的精度和密度。现在大多数GPS-RTK都可以最高输出率达20Hz，而测深仪的输出速度各种品牌差别很大，数据输出的延迟也各不相同。因此，定位数据的定位时刻和水深数据的测量时刻的时间差造成定位延迟。对于这项误差可以在延迟校正中加以修正，修正量可在斜坡上往返测量结果计算得到，也可以采用以往的经验数据。

6 作业时应注意的问题

（1）因为RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，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。所以：①电台天线要尽量高。如果距离较远，则要使用高增益天线；否则将影响到作业距离。②电源电量要充足，否则也将影响到作业距离。（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。（3）如果不是使用七参数，则在设置基准站时要使TransformToWGS84（转换到WGS84坐标系）处于off（关闭）状态。（4）如果使用七参数，则△x、△Y、AZ都小于±100较好，否则重求。（5）在求转换参数前，要使参数转换和七参数关闭。

参考文献

[1] 李明叁.海洋测深网平差的理论与方法研究[D].解放军信息工程大学，2007.

[2] 乔全珍.变形观测网的平差和变形分析[J].科技资讯，2008，2.