GPS-RTK测量精度的分析与质量控制

2012-11-29赵萌

铁道勘察 2012年2期

赵萌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 GPS-RTK现状

1.1 GPS-RTK测量基本原理

RTK(Real-Time Kinematic)定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还需采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，计算出厘米级定位结果。RTK技术是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

1.2 GPS-RTK测量精度

平面精度:10 mm+2×10－6D;高程精度:20 mm+2×10－6D。

流动站至参考站点间精度用式(1)表示

式中 σ——标准差/mm;

a——固定误差/mm;

b——比例误差系数/(mm/km);

d——流动站至参考站距离/km。

1.3 GPS-RTK测量范围

GPS-RTK测量范围根据数据链的传播限制和定位精度要求确定，但GPS-RTK测量距离一般不宜超过10 km。根据测区的具体情况，可设置不同的发射天线高度和架设中继站增长传播距离。

数据传输距离和测站天线高度理论关系为

式中 D——数据链覆盖范围半径/km;

h1——基准站天线高/m;

h2——流动站电台天线高/m。

1.4 GPS-RTK在铁路勘测中的应用

GPS-RTK以其较高的测量效率和良好的测量精度，在铁路勘测中广泛应用，并且所占比例日渐加大，主要应用于铁路中线测量、横断面测量、地形碎部点测量及地质钻探孔位测设等。

2 影响GPS-RTK在铁路测量精度的因素

近年来，GPS-RTK测量技术在铁路勘测中得到普遍应用，尤其在铁路初定测项目中的地形图核补、控制工点测量、横断面测量、中线测量等工序中成为主要勘测手段，在作业过程中，影响RTK测量质量的情况仍时有发生，主要体现在以下几个方面。

2.1 坐标参数转换

在进行 RTK测量时，首先需要输入控制点的WGS一84坐标和地方坐标系坐标，以此来求解转换参数，据此得到转换后的地方坐标。这期间待测点坐标的精度存在着坐标转换的损失。经验表明，这种损失一般在1 cm左右，与控制点的精度和分布有关。控制点的选择是否恰当，会直接影响转换参数的求解，进而引起RTK测量成果的精度。值得关注的是，坐标转换参数是GPS-RTK测量的关键，稍有不慎，将会给整个工程带来返工，甚至造成不可挽回的损失。

2.2 测量的地域性

在山区、林地或房区等卫星信号不佳或无线电信号不好时进行GPS-RTK测量时会影响其测量精度。

对2010年本院承担的23个勘测项目进行统计分析，结果表明:GPS-RTK测量的平面精度在0.05m范围内的占78.4%，高程精度在限差0.05m范围内的占95.5%。

在实际勘测中都是按照10%的比例进行质量检查，因此，计算RTK测量正确率公式为

式中 β——测量数据正确率;

γ——质量检查正确率。

对GPS-RTK测量精度大于0.1m(2倍精度限差)的数据进行统计分析，共有6个项目，详见表1。

以上6个项目均位于内蒙古或山西山区，地形复杂，高差变化大，干扰卫星信号的因素多。以上分析说明，地形复杂等因素对GPS-RTK测量的正确率有一定影响。

2.3 对中杆误差

当天线高r=2m时，对中杆不同偏斜程度引起的测量误差如图1所示。从图1中可以看出，随着对中杆倾斜角度的增加，平面坐标偏差和高程坐标偏差均越来越大。而平面坐标偏差对杆的倾斜比较敏感，当杆倾斜0.3°时，平面偏差就高达10.5 mm，此时，对中杆的倾斜导致的测量误差和RTK的平面标称精度相当，导致测量结果不可靠。

表1 测量精度大于0.1m的项目统计分析

图1 对中杆偏斜引起测量误差

3 提高RTK测量精度的措施

3.1 转换参数的合理求解

坐标转换参数是GPS-RTK测量的关键且与控制点的精度和分布有关，因此在转换参数求解时，尽量用高等级的控制点作为转换控制点，一般来讲，平面控制点至少3个，高程控制点至少4个，分布应该尽量均匀，能够涵盖整个测区，一般相邻控制点之间距离应为3～5 km，以确保拟合精度要求。

参数转换时，控制点之间应具备相互位置关系精确的WGS84大地坐标和地方坐标，以确保转换关系的正确性，且要求控制点必须在统一的平差网内。

转换参数求解后，必须进行检核。可以在转换控制点和其他控制点上用RTK方式测点，一方面检核转换参数，另一方面也检核原控制点精度，并将精度高、分布均匀的控制点再作为转换控制点，重新求解转换参数。经多次比较后，确定最佳的转换参数。

3.2 作业过程规范化

(1)规范仪器操作

《高速铁路工程测量规范》(TB10601—2009)、《铁路工程测量规范》(TB10101—2009)、《改建铁路工程测量规范》(TB10105—2009)、《铁路工程卫星定位测量规范》(TB10054—2010)中都有对RTK测量技术、GPSRTK仪器操作有很详细说明和要求，见表2、表3。

表2 GPS-RTK测量精度

表3 GPS-RTK测量具体技术质量要求

GPS-RTK测量时观测卫星强度要高，在进行坐标解算时，所采用的卫星数越多，分布越均匀，则PDOP值越小，RTK的精确性和可靠性越高，且初始化的时间越短。一般情况下，在接收卫星数保持5颗以上，且PDOP＜6时，才能进行RTK测量。

作业时，接收机的对中、整平，天线高的量取，以及输入已知点坐标、坐标转换参数等都必须规范化操作，防止粗差的产生。

(2)观测成果要注意复核

为了保证RTK的实测精度及可靠性，作业中必须注重成果的复核。成果的复核分为作业前复核、作业中复核和作业后复核。作业前复核是指在RTK作业前，先在已知点上检测，新测坐标与已知坐标较差符合要求后，才能进行RTK测量;作业中复核一般是指在作业中采用不同起算点测定部分重合点，或在同一点上采用两次观测法观测。作业后复核是指将RTK所测成果和既有的资料进行比对，有出入的地方要进行分析，剔除粗差。图2为在既有地形图上检核RTK测量成果。