实时动态载波相位差分技术浅析

姬旭东 (中原油田勘察设计研究院,河南 濮阳 457001)

实时动态载波相位差分技术浅析

姬旭东 (中原油田勘察设计研究院,河南 濮阳 457001)

实时动态载波相位差分技术(Real-time kinematic，RTK)是一种新的GPS测量方法。介绍了RTK技术的基本原理，详细阐述了RTK技术的主要流程。

RTK技术;图根控制测量网;基准站;流动站

全球卫星定位系统(GPS)的全面建成和发展,导致了导航和测绘行业的一场重大深刻的技术革命。常规的静态GPS测量方法越来越多地应用于高精度控制网的建立，但利用该方法无法在野外对观测数据进行实时检核，从而造成观测结果不合格而需要返工的情况，而利用实时动态载波相位差分技术(Real-time kinematic，RTK)可以改变上述状况。RTK技术采用载波相位动态实时差分方法，可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果，能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量结果，从而提高工作效率[1]。下面，笔者对RTK技术进行阐述。

1 RTK技术的基本原理

RTK系统由1个基准站、若干个流动站及无线电通讯系统组成。基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射系统、供GPS接收机和无线电台使用的电源及基准站控制器等部分。流动站包括GPS接收机、GPS天线、对中杆、无线电通讯接收系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。在RTK作业模式下，在已知高等级点上(基准站)安置1台接收机为参考站，对GPS卫星进行连续观测，并将观测数据和测站信息通过无线电传输设备实时地发送给流动站，流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号和采集卫星数据的同时，通过无线接收设备接收来自基准站的数据链，并在系统内对采集和接收的2组数据进行载波相位差分处理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度(即基准站和流动站坐标差ΔX、ΔY、ΔH，加上基准坐标得到的每个点的WGS-84坐标，通过坐标转换参数得出流动站每个点的平面坐标X、Y和海拔高H[2])。因此，使用RTK技术的关键在于根据GPS的载波相位观测量,并利用基准站和流动站之间观测误差的空间相关性,通过差分的方式除去流动站观测数据中的大部分误差,从而实现高精度(分米甚至厘米级)定位。

2 RTK技术的主要流程

2.1收集测区资料

收集测区资料时，采用Trimble R8 GNSS多通道、多频带且集接收机、天线和数传电台于一体的GNSS(Global Navigation Satellite System)系统，该系统收集的测区资料主要包括测区范围、地貌特征，测区交通情况以及所能利用的控制点(包括坐标、高程、等级等)。

2.2确定测区转换参数

对于RTK测量，要求实时得出待测点在实用坐标系(如1980西安坐标系、1954年北京坐标系或地方独立坐标系等)中的坐标，即将GPS观测的WGS-84坐标转换为国家平面坐标(如北京54坐标)或者工程施工坐标。对于WGS-84到国家平面坐标(如北京54坐标)的转换，可以采用高斯投影的方法，这时需要确定WGS84与国家平面坐标(如北京54坐标)2个大地测量基准之间的转换参数(三参数或七参数)，同时定义三维空间直角坐标轴的偏移量和(或)旋转角度并确定尺度差。但通常情况下，对于一定区域内的工程测量应用，一般利用以往的控制点成果求取“区域性”的地方转换参数，可以分为以下几种情况[3]：①采用已有的静态数据，直接将控制点的WGS-84坐标和国家平面坐标(如北京54坐标)或者工程施工坐标输入测量手簿，利用随机软件求解坐标转换参数。②若测区只有足够控制点的地方坐标，相对位置关系精确，但没有WGS-84坐标。在上述情况下，可以利用RTK测量方法，以基准站为起算位置(该起算位置的坐标由GPS接收机观测确定，是一个精度有限的大地坐标，但不影响RTK观测的相对位置关系)，确定各控制点之间相对精确的位置关系，并实时测定WGS-84大地坐标。③当某些地方无合适的控制点坐标设置基准站时，可以采用基准站任意摆放的方式，即虚拟一个基准站，该基准站的WGS-84坐标直接从测量手簿读取，然后通过流动站再到各个控制点上去采集WGS-84坐标。

2.3基准站的选择及设置

1)基准站的选择 GPS RTK定位的数据处理过程实际上是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量和无线电的信号传播质量的好坏对定位结果的影响很大。选择的基准站位置应便于安置接收机，且视野开阔，尤其应注意的是要远离大功率的无线电发射源，同时要考虑GPS电台的发射功率和覆盖范围，以便获得最大的数据通讯有效半径。

2)基准站的设置 基准站的设置内容主要包括项目和坐标系统管理、基准站电台频率选择、GPS RTK工作方式选择，基准站坐标输入、基准站工作启动等，以上设置完成后，可以启用基准站。

2.4外业数据采集

在进行外业数据采集前，应从基准站以外的已知控制点出发，利用流动站验证已知坐标转换参数及基准站设置的准确性，然后依次将已有控制点与加密控制点进行测量，每一个控制点最少要测量2次。特别注意的是应将接收机安装在支架上来实测，以保证测量结果的稳定性。

2.5测量精度检查

为了保证实测精度和可靠性，必须对已知控制点进行检核，避免出现作业盲点。一般采用以下方法：①已知点检核比较法。利用所测出已知控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。②重测比较法。每次初始化成功后，先重测1～2个已测过的高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。相对而言已知点检核比较法的检核结果更加可靠，但由于控制点的数量有限，因而在没有控制点的地方需要用重测比较法来检核测量成果。

2.6内业数据处理

针对RTK测量数据，可以利用专业软件(TGO软件)处理接收机导入的测量数据(*.dc)，直接将坐标值以文件的形式存到电脑中，然后对输出的各个控制点依据布设的位置进行编号，检查无误后，再进行输出和打印，最终得到相关控制点的测量结果。

3 结 语

实时动态载波相位差分技术作为一种新的GPS测量方法，与传统控制测量相比，其作业效率高、定位精度高、数据安全可靠、作业不受通视条件影响、单站测量控制范围广、操作简单，能有效减少因地形复杂带来的繁重工作量。但RTK技术也存在一些不足，如容易受GPS卫星状况及周围环境的限制、高程测量精度较低等。因此，今后应加强该技术的研究，使其功能进一步完善，从而更好地为工程放样、地形测图及各种控制测量服务。

[1]刘大杰,施一民,过静一.全球定位系统(GPS)原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社,1996.

[2]周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用[M].北京:测绘出版社,1997.

[3]徐绍铨.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1998.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.09.024

P228.4

A

1673-1409(2012)09-N068-02

2012-06-10

姬旭东(1979-)，男，2002年大学毕业，工程师，现主要从事油田内外的长距离油气管道和道路施工测量方面的研究工作。

[编辑] 李启栋