GPS＿RTK测量技术在水文测站的应用探讨

罗 兴，吴隆学，王合凡

（1.长江中游局岳阳水文水资源勘测队，湖南 岳阳 414000；2.长江中游局潜江水文站，湖北 潜江 433100）

GPS RTK（Real Time Kinematic）测量技术也叫载波相位差分技术，是建立在全球定位系统（GPS）基础之上的实时动态定位技术，能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标，并能够达到厘米级的精度。在野外作业时该项技术具备灵活、快速、省时、省力及精度高等优点，能极大地提高工作效率和测验精度。本文通过该技术在长江中游干流螺山水文站的应用、实验，来探讨RTK技术在水文测站中的应用，以达到在水文测站广泛使用的目地。

1 RTK工作原理

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值，然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站，精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。其工作原理如图1所示。

图1 RTK工作原理图

2 RTK系统的组成

2.1 基准站的组成

（1）GPS接收机及其天线：用于接收GPS卫星信号；（2）无线电传输设备：包括电台和发射天线，用于发射基站无线电信号；（3）电子手簿：用于设置基准站和电台的各项参数。

2.2 流动站的组成

（1）GPS接收机及其天线：用于接收GPS卫星信号；（2）无线电接收电台及其天线：用于接收基站电台发射的无线电信号，很多仪器都将该部分设为内置在流动台内部，减少了外接设备数量；（3）电子手簿：用于设置流动站和接受电台的各项参数，通过手簿进行各项测量工作的操作，可以与基准台共用一部。各系统组成如图2所示。

图2 RTK部件组成图

3 RTK技术在水文测站中的应用及其优越性

3.1 水文测站地形测量

在现行水文测验规范中规定，逢“0、5”年份，或者水文测站地形发生了明显的变化，就必须将水文测站周围的地形图做详细的测量。过去测地形时一般首先要在水文测站范围内建立图根控制点，然后采用全站仪或经纬仪测量地形地貌等碎部点，这些碎部点必须与测站通视，否则还需换站测验，测验完毕后，还要电子成图，进行地形测量一般需要3～4人，水文测站范围一般较小，在该测区内，这种做法耗时费力。

现在采用RTK时，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一、二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所采集的地形图数据，这样用RTK仅需一人操作，不要求各测点间通视，大大提高了工作效率。

3.2 水文测站大断面测量

水文测站大断面测量，现行规范要求起点距测量方法为钢尺丈量、经纬仪或全站仪测验。采用钢尺丈量时，需在水面以上陆地部分，布置高程控制桩点，然后钢尺丈量点与点之间的距离，并用水准仪测量高程，同时还采用其它方法检测水边测量精度。该方法要求测验人员较多，当地形复杂时，比如杂草或者树林灌木较多，距离丈量精度可能会出现误差，当遇到测站大断面中间出现江心洲时，该方法有很大的局限性，并且高程控制桩点不一定完全布置在断面线上。采用全站仪观测时，遇到江面较宽，还要换边测量，对人力物力要求很多。

如果采用GPS-RTK测验技术，这些问题将迎刃而解。当基准台架设完毕后，由一人随带流动台，在测站大断面测区内找出2～3个校核点比测，比测合格后，在电子手簿中，输入断面线，测验人员可以根据导航模块，直接在断面线上施测碎步点，这样就可以控制每一个测点均在断面线上，并且数据量也比较密集，可以很好控制住断面变化转折点，提高测验精度。图3为螺山水文站2008～2011年采用GPS-RTK测验技术施测的大断面，通过对比可以发现，陆上部分地形很吻合，应证了GPS-RTK测验技术的可靠性。

图3 螺山站2008～2010年大断面图

3.3 水文测站流量测验（配合ADCP测流）

声学多普勒流速剖面仪（ADCP）现广泛应用于水文测站流量测量中，该技术能大大提高测验精度，减少测验时间。但是当水文站的断面存在河底走沙（俗称“动底”）时，流量测验将不准确，和常规测验仪器相比，存在偏小的趋势。在这种情况下，可以配合GPS-RTK测验技术，利用GPS的实时动态提供的数据，将会提高流量测验精度，发挥ADCP高效、快捷和准确的作用。表1为2010年螺山站ADCP不采用和采用GPS-RTK技术，流量测验精度比较。

表1 螺山站采用GPS-RTK数据和不采用GPS-RTK数据测流成果精度比较

3.4 特殊情况下水准高程测验

在RTK技术应用中，被使用者最为关注的就是高程测量的精度和基面问题。GPS测量求得的原始坐标是 WGS-84（B，L，H）三维坐标。而我国水准测量是采用1985国家高程基准或其他基面，以大地水准面为起算面，最后以正常高作为使用的高程。因为测量原理不同，两种测量的起算面不同，所以两种高程值之间存在差异。在特殊情况下，如果需要用GPS测量高程，可以采用以下方法来控制高程测量精度，以达到满足测验要求。

（1）尽量减小人为误差影响。主要是减少天线安置误差和天线高量取误差 ，天线安置采用脚架对点器精确对中 ，天线高量取误差应小于1 mm。

（2）流动台距离基准台距离不超过5km，以消弱电离层折射和对流层折射的影响。

（3）基准台应架设在空旷且无遮挡的地方，以增强信号的稳定性。

4 RTK操作时应注意的问题

GPS-RTK测量技术具有省时快捷方便的优点，但是在使用时，应注意以下几点要求：

（1）RTK测验的基础是GPS定位技术，这就要保证对GPS卫星的连续跟踪以及跟踪卫星的数目必须满足要求。所以在工作时应把基准台架设在地势较高的区域或是开阔的场地，特别是要避开雷达、信号发射塔和高压电线等影响电磁波传输的因素。基准台和流动台之间的距离最好不要超过5km，以保证测量精度。

（2）在测验过程中，必须保证采用RTK测量时的可靠性和准确性，所以必须采用已知点校核法对RTK的测量结果进行比较验证。在实际工作中，应至少有2～3个已知点作点校正才能进行后续其他测量工作。

（3）测量时需采用一些方法来提高测量精度。如延长测量时间、使用对中器、选择最佳观测时段、增加观测次数或改变基准站等。同精度两次测量值的较差取3cm以下为宜。

（4）在使用和搬运过程中，应保护好RTK系统的各个部件，以确保产生准确无误的测量数据和仪器的长期使用。

5 结 论

RTK作为一种新型的测验技术，和传统测量相比，该技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业，并且测量误差分布均匀、相互独立，不存在误差积累，精度可靠度较高，在实际应用中有着广阔的前景，特别是应用到水文测站后，可以大大提高水文工作效率，减轻劳动强度。

［1］谢世杰，等，RTK 特点与误差分析［J］.测绘工程，2002，（2）.

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