GPS-RTK技术在工程测量中的应用

赵国政

（天津水泥工业设计研究院有限公司 天津 300400）

0 引言

在工程测量中应用GPS-RTK技术，其具有定位精准度高、自动化水平高等优点，且能突破时间与空间的约束，实现24 h全天候定位，其现场观测时，不会耗用较多的时间成本，能给工程测量人员提供可靠的信息支持。实践中，技术人员可以依照GPS-RTK技术定位要求，立足于工程现场实际，分析并确定工程测绘内容，采用GPS-RTK技术实现整体统筹规划，进而显著提升测量工作质量与效率。

1 GPS-RTK技术概述

1.1 概念

GPS-RTK即实时动态载波相位差分技术，其主要是采用合理的方式将两个测量站接收的载波相位传送至相应的用户接收机上，随后按照一定规则处理数据进而完成相应坐标的计算工作。同传统的地籍测量相比，CPS-RTK的测量精准度更高，速度更快，能明显提升工程测量效率。

1.2 工作原理

将接收机安装在基准站上，连续观察所有可能观察到的GPS卫星，利用无线电传输装置（也称为数据链）把观测所得数据实时传送至用户观测站（流动站）。在观测站上，GPS接收机不仅能精准接收GPS卫星信号，还能以数据链为传输媒介接收基准站的观测数据，继而结合相对定位机理，动态计算并呈现用户站的三维坐标及其精准度，定位精准度能够达到1～2 cm。

1.3 技术优势

能为项目工程管理提供精准的测量依据，确保相关测量工作能稳定推进。

满足现代城市持续发展过程中基建工程施工建造面积庞大、点位繁多及工期紧张等特点，测量操作过程简单，并且测量所得结果的精准度能得到一定保障，为城市建设及发展提供可靠支撑。

传统测量工作推进过程中需要投入大量的人力、物力资源，对人员之间的操作协调性提出较高要求，而规范应用GPS-RTK测量技术能明显减少人力成本投入，显著提升测量工作效率。

1.4 误差分析

尽管GPS-RTK测量技术在实体工程内应用时表现出很多优势，但仍存在不足，故而在选用该项技术前要对其数据误差成因有较全面的了解，进而工作人员能结合现场情况更好地编制相应方法去规避误差问题，力争将其影响降到最低，显著提升工程测量施工水平。GPS-RTK现场测量时，误差成因主要集中在如下几个方面。

基准换站内形成误差。坐标系统转换过程是引起误差的常见原因，也可能引发控制点误差问题，均会对最后所得测量结果的精准度产生不良影响。

用户操作接收装置过程中形成误差。天线相位中心改变是引起误差的常见原因，针对这种情况，工作人员要及时采用适宜的方法将其解除。虽然一些误差是难以规避的，但是其对测量结果形成的影响程度可以被控制到最小，为此工作人员要以最严谨的态度参与到测量工作实践中。

2 工程测量中GPS-RTK技术的应用

2.1 控制测量

（1）GPS控制测量的现场工作：①一名合格的测量人员，要了解整个测区的范围、地理条件及既有控制点位，以此为基础选择并部署GPS测点；②在GPS定位选择环节中，尽量在视野相对宽阔的区域布置观测点，测量操作中，视场内障碍物的高度角＜15°，并且周边不可以分布反射卫星信号较强的物体，比如高大建筑物等[1]。

（2）GPS现场观测与数据处理：GPS-RTK和常规工程技术之间有很大差别，采用GPS-RTK测量时，工作人员要先在测区内布置天线，把其安置在三脚架上，维持水平居中，随后才可以进行开机观测，指派专人详细记录观测信息。记录方式通常有两种，一种是GPS接收机自动记录和存储，第二种是GPS测量手簿存储。

2.2 数据采集

首先，测量人员要做好所得控制点位的分析工作，结合分析结果进行地形测量。其次，工作人员要确保人员外部无线电台与基站覆盖范畴能达到10 km，进而从基础环节使测量工作结果的精准度得到保障。最后，正式进行工程测量前工作人员要严格依照相关规程校准流动站，把其测量精度控制在厘米级，以上环节中配合使用RTK控制测量误差。现场测量操作中，工作人员要尽可能提高输入转换阐述的精准性，并利用适宜、科学的方法布置点位，加强几何强度的控制力度，立足于具体测量区域实际情况进行准确、规范的测量。

2.3 数字地形图的测量

应用GPS-RTK执行数字地形图的测量任务。在实际工程测量时，通常所需的控制点位数目较少，这一点有效弥补了我国传统工程测量技术应用时暴露的不足，采集所有点位的坐标信息并将其完整输入到相应计算机软件内，便能顺利获得测量人员所需的地形图，绘图工作效率与质量均较高，适用于环境相对复杂的工程测量[2]。

2.4 施工放样测量工作

传统工程施工放样环节采用的测量仪器以全站仪为主，点位之间实现通视是其测量的必要条件，受地形、地物等因素的影响，容易影响工程施工放样测量工作效率。而采用GPS-RTK技术，因为其系统软件内自带放样功能，故而能高效实现工程点位及直线等测量工作，智能生成相应的放样点。实际测量时，工作人员要提前把设计好的各类元素输入到手册内，一方面为现场放样点自动生成创造便利条件，另一方面也能清晰地呈现出里程及偏移距离等信息，借此方式进一步提升现场施工放样测量效率。

3 案例应用

某矿山工程地理坐标为东经114°42′—114°54′，北纬23°22′30″—23°31′，矿区处于南北长19.37 km、东西宽9.35～20.45 km的T型区内，面积304.4 km²左右。矿区距离市区直线距离35 ㎞，工作区南北部分均有省道通过，铺筑公路、简易公路直通矿区，交通运输相对便捷。矿区属于低山丘陵区，海拔最高292 m，最低44 m。矿区内每年4—8月份是雨季，最大年平均降雨量2 781.7 mm。矿区内村落局部分布，矿区中植被茂密，通视条件偏差，山间水系发育，时而发生山洪，有毒蛇出没，增加了工程测量的难度。

3.1 布置控制网

严格依照D级GPS网测量规范布设GPS控制网，要符合图像连通性检查原则，要有适宜数目的重合点位，视野较宽阔且容易抵达。

GPS网尽量选择三角形、多边形或者由附和线路组成的闭合图形，具体设计时多和国家高级控制点进行联测，进而提供数据处置的起算值及增设最后结果测量的检核条件[3]。

（1）结合测区交通运输情况设计GPS网型，不要求GPS网各点之间通视，但要考虑传统测量方法加密环节点位的利用效率。

（2）有效应用矿区旧的标识。

（3）D级GPS网内各闭合环的边数＜8，本次平差闭合环边数是3。

（4）控制网和本地原油等级GPS点进行联测，总数≥3个。

3.2 GPS技术参数

3.2.1 坐标系统

选用1980西安坐标系，高斯一克吕格实现正形投影，3°带第38带作为测区投影分带，中央子午线为114°。GPS网施测等级对应D级。

3.2.2 精准度要求

利用下式计算出GPS控制网内两个相毗邻点基线线内误差（σ）[4]：

a、b、D分别是固定误差、比例误差系数、相邻点间的平均边长。

已知V30接收机的标称精准度±（2.5 mm±1 ppm×D），依照本矿区精度要求，在GPS网平差时，利用（lO mm +1 ppm×D）执行平差解算过程，则每千米的基线测量内误差10.65 mm。

3.3 选点和埋石

尽量选择视野开阔、交通便捷易于后期开展工作的位置作为GPS埋石点，在其周边布置可通视的方位点，选点要符合如下要求。

（1）符合技术设计要求、便于常规测量手段的拓展和联测。

（2）点位一定稳固，方便长时间保留且不容易被破坏，为仪器操作及架设施工创造便利。

（3）点位处视野开阔，和水平夹角＞15°。

（4）点位200 m范围中无大功率电台，50 m内无高压线经过。

（5）为规避多路径效应带来的影响，点位要远离大面积水域。

（6）整个矿区共计埋设了12个D级标石，联测3个C级GPS点，为矿区GPS点进行统一编号。

3.4 控制测量施测——静态作业

应用书台接收机同步观测矿区GPS控制网以进行施测，首次观测运用了7台中海达V30接收机与1台中海达V8接收机进行野外静态作业。其中，V30接收机的静态相对定位精度是：静态平面±（2.5 mm±1 ppm×D），高程±（5 mm±1 ppm×D），选用的HGO数据处理软件包满足GPS测量数据处理的实际要求；地质测量应用GPS-RTK作业形式施测，RTK定位精度：平面±（lO mm+1 ppm×D），高程：±（20 mm+1 ppm×D）[5]。V8接收机定位精度指标和V30等同。局部工程用索佳Set230RK3全站仪测量，其测距精度±（2 mm+2 ppm×D），测角精度2″。经专业机构检测并正式以上测量仪器质量合格，可以正常用在相应等级精度要求的测量工作。在GZJL、HO1...H07埋石点分别架站观测，V8接收机被架设于H07设站上。2015年6月13日观测一个时段，各时段≥20 min，测站认真记录观测要素。6月17日分别增设1台V30和V8接收机开展静态作业。维持H02、H06、H07 3台接收机固定，其他仪器被迁站大牌新的站点H08、H09、H10、H11、H12、BGZ、STL，新增V8接收机架设在H12测站上，每站观测一个时段，各时段≥120 min。本次共计观测15个点，设站观测两天。

3.5 内业数据处置

开启HGO软件，创建新的项目，选出测量规范标准与控制级别，仪器精度输入值10，比例误差输入1，能够观察到D级GPS网相应的限差要求[6]。

依照要求对坐标系统进行设置输入操作，选择国家80椭球、中央子午线114°、高斯3″进行带投影。导入数据环境中，电机导入文件按钮，于导入文件对话框中，依照静态文件类型选中海达文件、卫星原始数据文件，单击实现导入。数据预处理时，依次设置高度角、采样间隔、最少历元数，选中匀选GPS、GLONASS、COMPASS前的复选框。随后在高级功能标签中选择默认，保存。在开启文件的对话框内，单选或多选所需导入的静态数据文件，单击启动按钮，处理所有基线，这样便能获得预处理的GPS网图，利用红色表示不合格基线。

在数据成功导入后，需要对GPS网格做简化处理，简化时剔除基线以后确保网形依然能连通，结合误差是椭圆的图形状况进行保存及删除操作，三角形角度尽量≥15%，有助于增强GPS整网强度。结合以上经验禁止使用或删除多余不达标基线，实现简化基线解算，完善结构，提升网形的美观度，便于解算结果通过。

本工程GPS网平差解算数据：观测文件共18个，基线33条，2条出现重复，形成同步、异步环分别有17个、4个。以上全部观测量都解算合格。

3.6 二维约束平差

把ZJL、BGZ为已知点进行二维约束平差，对比平差结果的坐标值与STL的已知值。测算出两者平面位置较差△X=6.8 mm、Y=-14.5 mm、△L=16 mm＜10 cm，据此可以初步认为己知点起算坐标准确。把C级控制点GZJL、BGZ、STL坐标值作为已知值进行网平差。分析到GPS网和地方坐标网权比合关系的合理性问题，决定用基线解的方差定权[7]。

历经二维约束平差处理后，各基线的Tau测试检验均合格，基线分量改正数、标准差均符合限差值要求，最弱边相对误差1∶134 165 7，对应基线H 111 630.zsd～H 121 630.zsd，精度低于1∶45 000，符合现行规范要求。

4 RTK技术应用过程中的常见问题与处理方法

首先，RTK技术现场测量过程中卫星状况会对其形成一定限制，这主要是因为RTK采用的是GPS卫星传输信息技术，故而卫星状况会对其产生一定限制。为了使测量结果的精准度得到保障，要科学选择作业时间以进行测量操作。

其次，在信息传输过程中，数据量自身的传送也可能承受一定干扰和限制，容易滋生出作业的实际半径比标称距离短的问题。为规避以上这种情况，工人在布置精准站时，可以尝试将其布置在测区中间的最高点上，减轻地物地形等给GPS-RTK技术测量带来的影响，使测量结果的完整性得到更大保障。

最后，不论哪种测量技术实际使用过程中，难免在精准度及稳定性方面出现问题。尽管RTK技术的精准度已经可达很高层次，但也不能完全规避以上问题。为了使测量精准度及稳定性得到更大保障，要选用高品质的机种，布设控制点时多设置一些多余的控制点，将其作为测量结果质控的检核点，通过实施这种办法使工程测量质量得到更大的保障。

5 结语

同传统的工程测量技术相比较，GPS-RTK的测量精准度显著提高，并且在真实的工程测量实践中，其所耗用的测量时间更短，操作过程简单可靠，可以预测其在我国工程测量领域将会有更大的发展及应用。为此，相关工程建设单位应加大GPS-RTK技术的投入力度，完善配套设施，应用过程加强质量管理，进而使GPS-RTK技术优势充分发挥出来，创造更多的效益。