刍议如何提高RTK测量精度

郭术辉

摘 要：实时动态定位（RTK）技术是GPS测量技术的一个重要突破。分析了影响RTK测量精度的误差因素，并针对这些因素，结合实例，提出了应对措施，为RTK技术的扩展提供了参考。

关键词：RTK；精度；误差；措施

引言

近年来，GPS技术已经广泛应用于工程测量和控制测量等领域，例如桥梁或建筑的形变监测、沉降监测等方面的高精度测量。但是随着工程技术的快速发展，工程测量领域也愈加复杂，常规的GPS静态测量难以满足当前的需求，如施工放样测量、地形及地籍变更测量等都对GPS的实时测量提出了更高的要求。实时动态测量技术（RTK）将GPS技术与数据通信技术结合，利用载波相位观测实现了动态的实时差分定位，可以实时提供测站点的定位数据。该技术设置有基准站GPS接收机，对GPS卫星进行连续观测，并将数据发送给移动站GPS接收机。同时，移动站上的GPS接收机还会接收到GPS卫星的载波相位数据。这两组数据间存在相位差分，通过相对定位原理进而计算出移动站的实时三维坐标。对于高质量的RTK一次可以完成直径10km的测量区域，作业效率非常高，并其定位精度较高，可达厘米级。但是，RTK在实际测量时，电离层等会对GPS卫星信号造成干扰，导致RTK测量初始化时间长，甚至不能初始化，限制了RTK测量精度。另外，在野外作业中，外界高大建筑、高频信号等都会干扰数据信号的传输，造成信号衰减，严重影响RTK的测量精度和区域范围。

1 RTK测量精度的影响因素

影响RTK测量精度的因素主要可以分为以下两个方面，即与测站和测量条件有关的测量误差，以及数据处理误差。

1.1 测量误差

由于GPS卫星的空间组成和信号强度设计的限制，在地球中、低纬度地区每天会出现30min左右的盲区，这会给RTK测量带来一定的卫星钟误差。此外，对于接收机设备，内部噪声干扰、天线相位中心变化、通道延迟、接收机钟差和位置误差、多路径效应等都会显著影响RTK的测量精度。

在RTK实际测量中，测站和移动站周围测量环境、气象因素（电离层和对流层）以及移动站与基准站的间距等测量条件因素都对RTK测量精度造成不同程度的影响。例如，当GPS接收机天线周围存在高大建筑物或大面积水域时，会对电磁波产生高强度的反射，反射的电磁波与卫星发射的信号发生叠加，当被接收机接收时会造成多路径定位误差，其误差达1-5cm，甚至10cm以上，这将对RTK测量精度产生严重影响。在RTK测量中，基准站通常采用频率410-420MHz、波长72cm的差分信号将观测数据传输给移动站，这种电磁波信号的最大传输距离收到接收天线高度、地球曲率半径及大气折射等因素的影响。在平原等开阔区域，RTK定位精度较高，而在城市、山区和森林等地区，信号遮挡和屏蔽严重，会导致信号衰减和失锁，从而造成接收站不能连续可靠的接收来自基准站的差分信号，降低了RTK测量精度，严重时会无法进行RTK测量。对于电离层，其在白天干扰较大，使得可共用的GPS卫星较少，导致RTK初始化时间延长，不过其影响一般小于5×10-6D，通过差分技术可以大部分消除。此外，移动站与基准站的间距也会造成一定的轨道误差，误差一般达几米，并且随二者间距的增大而增加。

1.2 数据处理误差

最常见的数据处理误差包括：坐标参数转换误差、数学模型误差、模糊度解算误差、差分信号调制解调误差等。其中，以坐标转换误差和整周模糊值（即初始化）误差的影响较为突出。

对于整周模糊值，其主要是受到电离层强度的影响，这会影响GPS卫星信号到达基准站和移动站的时间，并且基线越大，影响程度越大，严重时会造成信号失锁，从而大大延长确定整周模糊值的观测时间。对于坐标转换误差，其影响因素主要有控制点的点位误差、RTK点与控制点构成区域的相对位置以及坐标转换参数计算模型这几个方面。以坐标转换参数计算模型为例，有研究分别采用布尔沙模型和简化布尔沙模型进行七参数计算和四参数计算，用来分析坐标转换参数的误差对某平原地区RTK测量结果的影响。当以YJ10、YJ08、YJ06和YJ05四个建模点构成一个区域，进行七参数计算，将区域外的HBYJ11和HBYJ22两个点GPS坐标转换，坐标转换误差mx=±0.012m；my=±0.010m；mh=±0.005m。计算结果表明，当区域外距离不大于3km时，七参数可以外推应用，RTK高程误差不大于5cm，并可满足1∶2000比例尺图根点的精度要求。而以YJ08和YJ06作为建模点，两点构成一条4km的线段，进行四参数计算。结果发现，在YJ08、YJ06线段的延长方向0.7km，在YJ08、YJ06线段的两侧，最远点1.7km，RTK高程较差不大于5cm。以上分析说明，不同的坐标转换计算模型用于RTK测量，其适用范围会有所不同，需要根据实际测量情况适当选择，以保证其测量精度。

2 提高RKT测量精度的措施

对于影响RTK测量精度的各种误差，可以采用各种校正方法或有效的改进措施予以削弱，例如，采用求差法降低了载波相位测量改正后的的残余误差及接收机钟差和卫星改正后的残余误差等因素的影响。对于与坐标转换有关的数据处理误差，应合理设置已知控制点的精度和密度，一般视测区内设置3-6个基准点即可，同时，还应采取不同基准点的匹配方案，用不同的计算方法求得坐标转换参数，经对比选出残差较小、精度较高的参数。

另外，GPS卫星发射的信号被基准站和移动站的接收机接收，中间要经过电离层、对流层等多方面的干扰，影响GPS的信号接收质量，因此，非常有必要对基准站和移动站的安装位置、间距等参数进行合理设置。具体的措施阐述如下：

首先，基准站和移动站应该远离微波站、寻呼台发射塔、变电站、高压线、电视台等强电磁干扰源，消除干扰差分信号正常发射的因素。其次，接收站周围应尽量避免出现大面积水域、大型建筑等面积较大的电磁波反射物，以消除多路径误差的影响。此外，基准站和移动站的天线应尽量架设在较高的位置，以减少周围高层建筑、高山等物体对传输信号的遮挡，消除信号衰减等因素的影响。同时，由于随基准站和移动站间距的增大，RTK点位精度越不可靠，因此当二者距离较远时，也应尽可能的增加天线的高度，以提高電台的传输距离。最后，在RTK测量时需要先进行初始化，获得固定的整周模糊度，才能进行测量。由上面分析知道，白天电离层干扰大，可用GPS卫星较少，可能造成初始化失败，因此应该避开中午时段进行测量，同时为了保证接收机的可靠接收数据，每次施工间隙后再次作业，都需要重新开关机初始化，并自检或互检。

3 结束语

为了进一步提高RTK测量的精度和可靠性，2010年起，GPS系统的在轨卫星由24颗增加到30颗，另外GNSS多卫星系统仪器近几年开始使用，这种多卫星定位系统的应用可在相当程度上解决GPS的局限性。另外，在数据处理方面，需要针对多路径、电离层、对流层等误差因素建立新的补偿和计算模型，以拓展RTK的应用。

参考文献

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