实时动态差分法(RTK)技术的应用与质量控制

侯世芳

（中国建筑材料工业地质勘查中心广东总队，广东 广州 511400）

1 RTK 技术

RTK（Real-TimeKinematic）技术始于 20 世纪90年代初,是基于载波相位观测值基础上的实时动态定位技术。RTK 技术的工作模式是在已知点上架设基准站,接受机借助电台将其观测值及坐标信息,发送给流动站接收机,流动站接收机通过电台(数据链)接受来自基准站的数据,同时还要采集GPS 观测数据,在系统内形成载波相位差分观测方程,采用卡尔曼滤波技术,在运动中初始化求出整周模糊度,并进行实时处理,求得其三维坐标(X,Y,Z),精度可达厘米级。

由于RTK 实时动态测量具有实时、高效的特点,在许多领域都得到了广泛的应用,但在测量成果的精度和可靠性方面,从其诞生之日起就充满了争议。RTK 技术的出现,几乎完全改变了传统地控制测量方法,然而RTK 的测量技术还存在一定的局限性,比如遮挡、强磁场干扰、太阳黑子及超远距离等因素都对测量质量有一定的影响,甚至可导致无法测量。RTK 的关键技术是初始整周模糊度的快速解算,数据链传输的高可靠性和强抗干扰性。RTK 系统原理虽然很复杂,但从应用角度来讲,还是相当简单和方便的,只要有足够数量的卫星且具有较好的几何分布,并且基准站与移动站间的数据通讯良好,就可以进行测量。

2 RTK 技术在地质勘查区一级图根控制点测量中应用

前一段时间,我们对某金属矿地质勘查区布设了四等控制网,在此基础上用GPS 快速静态方法布设了13 个GPS 控制点,经观测合格并采用南方GPS 数据处理软件平差,然后采用RTK 双次测量技术进行了复测。

(1)作业方法:在测区中部选择四等控制点架设RTK 基准站及电台等,并连续跟踪所有可见卫星;RTK 移动站依次到各点测量。重要的是第二次测量时需重置整周模糊度,并把双次测量数据的平均值作为成果。

(2)作业精度：平面10mm+2ppm;高程20mm+2ppm。

(3)作业要求:在观测时段内应确保有5 颗以上卫星可供同步观测;移动点与基准点距离应不超过10km。

(4)RTK 方法的优点是作业速度快、精度高。

3 RTK 技术在地质工程点测量中应用

3.1 作业方法:在测区中部选择远离各种强电磁干扰源、周围应无明显的大面积的信号反射物、视野开阔的相对制高点等观测条件良好的控制点架设基准站,并连续跟踪所有可见卫星;RTK 移动站依次到矿区钻孔、探井、探槽、勘探线、地质点等地质工程点测量。

表1 RTK 测量的成果精度统计

3.2 作业要求：在观测时段内应确保有5颗以上卫星可供同步观测;移动点与基准点距离应不超过10km。

表1 中的Mp、Mh 和Mp+h 是指点位在平面、高程和空间位置的均方根(RMS)。以上精度统计中可以看出RTK 测量完全满足一般地质工程点的测量精度要求。

4 RTK 坐标转换

由于我国大多采用1980 国家坐标系、1954年北京坐标系或地方独立坐标系等坐标系统。RTK 测量应进行坐标转换。当要求高程精度较高时,转换参数必须考虑高程要素。如果无法满足高程精度要求,可对RTK 数据后处理,按高程拟合、大地水准面精化等方法求解高程值。

对于一定区域内的地质工程测量,我们往往利用以往的控制点成果求取“区域性”的转换参数,以便适用于需要的坐标系统。其区域性,理论上消弱了变形影响,提高了转换的可靠性。基准站的WGS84 坐标的获得方法有2 种:

(1)使用已有的静态数据,直接将控制点的WGS84 坐标和地方坐标输入手簿直接求取;

(2)使用上点采集的方式获取,此种方法是在无WGS84 成果的情况下使用。具体做法如下:基准站的WGS84 坐标直接从手簿中读取,然后将移动站安置于控制点上采集WGS84 坐标,每次测量前总要先对测区进行点校正 (WGS84 地心坐标与所需坐标系间的转换)。即测前应在测区边沿选择3 个分布均匀的控制点进行点校正,求解坐标转换参数。测量时应以其它已知控制点作为检核,当检核精度满足拟测量等级时,方可开始正常作业。将校正参数记录在笔记本上,每次测量前应认真核对本参数,确保本测区参数的唯一性。

5 质量控制

在RTK 外业测量中主要的误差是多路径误差,多路径误差对点位坐标的影响,在一般环境下可达5～9cm,在高反射环境下可达15cm;在高反射环境(城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等)下,码信号受多径误差的影响,可导致接收机的相位失锁;实践证明,观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。

接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GPS 信号产生镜反射。天线附近的地形地物,例如道路、树木、建筑物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。因此,选择GPS点位时应特别注意避开这些地形地物,采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。

由于RTK 测量有时会出现点位坐标漂移误差,当按设计要求进行RTK 作业时,在距离和测回数都按设计掌握时,仍有部分测点超限时,只有通过减小测距和增加测回数加以解决。

5.1 成果检验

应加强对RTK 成果的检验。对RTK 成果的外业检查可以采用下列方法进行:与已知点成果的比对检验、对同一点的测量检验、已知基线长度测量检验、不同基准站对同一测点的检验。对测绘的地形图采用常规作业方法检查。

RTK 作业后,应认真总结作业方法,统计测量精度,做好测量报告的编写工作,以便逐步完善RTK 作业方法。

5.2 如何判断观测质量

5.2.1 直接查看观测手簿上的收敛值:目前大多数RTK 仪器都已采用OTF 方法计算整周模糊度,大大缩短了解算时间。因此,在无干扰的测区,仪器锁定卫星在5 颗以上时,5s 内RTK 测量即获得固定解,手簿显示的收敛值一般在2cm以内。此时的收敛值真实地反映了天线中心测量的内符合精度。若RTK 测量60s 以上才得到固定解,此时的收敛值可能存在伪值。需要进一步确认。

5.2.2 已知点比较法:作为RTK 测量起算数据的高级控制网,一般用GPS 静态获得,具有很高的可靠性。为检核坐标转换参数、已知数据输入及RTK 测量各种过程的正确性,可以通过将已知点纳入到测量链中的方式进行检查,这是一种十分有效的方法,可在任何情况下时使用。

5.2.3 重复测量判定观测质量:少数测区存在一些干扰源,造成RTK 测量质量不正常。导致观测成果出现较大误差甚至有伪值现象。这种情况观测时不易发现,可从手簿上反映出收敛很慢,求得固定解一般需要几十秒甚至几十分钟才能完成,其收敛值一般在2～8cm 之间。这时手簿上显示的收敛值可能不完全真实,有时测量误差可能达到几十厘米甚至几米。当出现此种情况时,要慎重对待采集的数据,最好重置整周模糊度重复采集数据以检核观测质量,或用另一台移动站重复采集数据来判定观测质量。每次初始化成功后,或测量2～4h 左右应重合1～2 个已测过的RTK 点,以此来检查基站设置的正确性和测量链过长后可能产生的点位坐标漂移误差,这种方法可以在首站完成后的设站时使用。

5.2.4 成果整理时应注意以下2 点：①JOB文件必须建立在DISK 目录下,以确保数据的安全；②测量结束后应对两组成果进行比较,较差小于5cm 的取中数使用,大于5cm 的应返工重测。

6 结语

虽然RTK 技术已相当成熟,并被广泛应用,但是由于地质勘探测量工作通常在山地、丘陵地区,使用RTK 进行测量时经常遇到卫星跟踪受影响和数据通讯不稳定的问题。这种情况下,只能采用快速静态测量与常规测量相结合,运用解析法或图解法进行测量。与传统的光学测量方法相比,GPS RTK 作业观测速度较快,能够提供精度为cm 级测量成果,可以满足勘探测量的技术要求,非常适合于地质勘探工程中的测量,可以减少大量的工作强度,大大提高工作效率及成果质量,带来更大的经济效益。