GPS RTK技术在跨河水准测量中的应用

崔居峰

（淄博市水利勘测设计院，山东 淄博 255000）

在传统的跨河水准测量中，一般根据跨河距离，选用相应的仪器及布网形式进行观测。对于距离大于800 m的跨河水准测量，由于垂直角观测精度要求高，测回数多，经常出现返工。近几年来，实时动态差分 GPS技术 （即 RTK—Real—Time Kinematic）的出现，给测绘领域带来翻天覆地的变化。运用RTK GPS系统，在生产实践中，发现RTK技术在小范围内的高程测量精度有时可达到三﹑四等水准测量精度。

1 影响RTK高程的主要因素及解决方法

1）电离层延迟﹑对流层延迟的影响。对电离层延迟﹑对流层延迟，科学家们提出了很多的改正模型。实际上，经过模型改正的电离层延迟影响不到2 mm，对流层的影响比电离层的影响大些，经过模型改正的对流层影响大约为几毫米到几厘米。鉴于其影响随着卫星高度角的减少而增大，建议观测时把高度角小于20°的卫星删去。

2）卫星中误差﹑接收机中误差的影响。卫星中误差在GPS双差过程中，已经被消除，接收机中误差在求差中被大大削弱，对于同一厂生产的接收机，他的影响很小，可忽略不计。

3）多路径效应的影响。多路径效益严重影响GPS的测量精度，严重时还将引起信号的失锁。他的影响既不能采用求差法来解决，也无法建立改正模型，削弱的唯一办法是选用较好的天线，合理选择测站，远离反射物和干扰源。

4）相位整周模糊度解算的影响。相位整周模糊度解算的正确与否直接影响RTK的实时解算精度，且呈系统特性。解决他的办法是在观测时多次初始化，通过采集的数据进行比较鉴别，从而判断初始化是否可靠。

5）仪器高量取误差。量仪器高时，从天线互成120°的3个角度上进行重复量取，互差不能超过2 mm，最后取其平均值作为该测站的仪器高。

6）接收机本身的精度指标。该类型接收机的LRK模式的高程精度95%为10 mm+1 ppm。为了减小他的影响，选点时应该控制好各点间的距离，短边距离最好大于500 m。

7）卫星质量﹑卫星图形的影响。由于这些影响大多不能令操作者控制，他们对RTK有时解算精度影响较大，所以观测时最好能进行卫星预报，选择最佳时段进行观测。

8）高程异常。在测区内，当各测站高差小于10 m时，他们的高程异常差只有几毫米，可忽略不计。

2 外业实验与成果分析

2.1 外业实施原则

用RTK高程的相对高差代替跨河水准试验，是试图利用流动站B﹑C﹑D相对基准站A的高程HB﹑HC﹑HD减去基准站的高程 HA获得 3个直接高差HAB﹑HAC﹑HAD（如图1）。

图1 基准站布设图

同理，在站点B﹑C﹑D摆设基准站，可获得相应的直接高差 HBA﹑HBC﹑HBD﹑HCA﹑HCB﹑HCD﹑HDA﹑HDB﹑HDC，从而完成了一个测回的观测。如果把流动站B﹑C﹑D相对基准站 A的高程 HB﹑HC﹑HD，进行相减可获得 BC﹑CD﹑BD的相对高差，这种高差称为间接高差，同理也可获得其他线段的间接高差。这样，每条线段有2个直接高差和2个间接高差，共4个高差值。再通过三步检验：1）4个高差值最大较差不能超出RTK标称精度 2 倍限差（（±10 mm+1 ppm）×2）；2）经过水准观测线段的RTK高差与水准值相比不得超出三等水准对检测已测测段高差的差的要求（R为线段长度，km）；3）多边形边长不得超出三等水准对平原地区的要求（L 为闭合环长度，km），从而检验观测值是否可靠。最后再依据平差原理进行相应的平差。

不同长度的跨河水准应根据不同的情况设计布网形式，本次试验选取淄博市淄川区太河水库，大坝两岸距离1 120 m，需布设三等水准网，库区的两岸比较开阔，地形较为简单。

1）布网形式采用四边形，如图1。

2）在水库的两岸，分别布设短边水准线路AB﹑CD，并进行严格的三等水准观测。

3）选点时应严格按照《全球定位系统（GPS）测量规范》执行，点位应便于安置接收设备，视野开阔，视场内不应有高度角≥15°的成片障碍物；点位距大功率无线电发射源的距离应不小于400 m，距220 kV以上电力线路及大面积水域的距离应不小于50 m。

4）在外业观测前，应进行卫星预报，以便选择卫星较好的时段进行观测。

5）观测时，各站应进行同步观测，每次初始化前应删去高度角≤20°的卫星，但要保证使用卫星有6颗以上（含6颗）。

6）观测时，注意初始化时间，如果初始化时间较长（第一次初始化时间一般不会超过90 s，重新初始化时间一般只需几秒到几十秒），应重新初始化。

7）量仪器高时，应有2人配合操作，从天线互成120°的方向上量取3次，取平均值作为该站的仪器高，互差不得大于2 mm。

8）换站时，各站天线及三角架不动，以便保证仪高量取的正确性。

9）摆站时，卫星天线尽量架高。

10）基准站输入的三维坐标应逼近真值。

11）采集数字时，采用RTK自动记录。每摆一个基准站，初始化5次，每次初始化记录10个数据，共50个数据。

2.2 精度比较及成果分析

本次试验利用5台RTK接收机在大桥进行，历时3 d，成果见表1（为便于比较，表中的高差值均采用绝对值）。

由表1所列的第一次观测数据可知：HBA﹑HAC最大较差已经超出RTK接收机标称精度的2倍限差±22 mm（按距离1 km算）。这可能与摆基准站D时，高度角≤20°的卫星未完全删除等有关，而引起各流动站的高差有一定的偏差。HAD的往返互差为20.4 mm也较大，略低于他的2倍限差。所以认为：这与基准站D设站时有关，该基准站需重新观测。为了能更进一步检核其结果，本课题组于次日对全部观测进行了重新观测，成果列于表1。

表1 试验成果表

由第二次的观测数据比较可知：这次各线段的高差互差值均小于仪器标称精度的2倍限差。从表1的比较数据可知：两次观测的BA﹑DC的往返高差平均值与三等水准值相比均小于三等水准对检测已测测段高差的差的要求各闭合差也满足三等水准对环线闭合差的要求：平原（见表2）。因此取第二次测得的往返数据进行平差，结果见表3，按平差后的改正数计算单位权中误差为±1.83 mm，达到三等精度。

表2 闭合差表

在上述平差结果中，平差结果HDC（47.9 mm）与DC的水准值（45.8 mm）比较仅差 2.1 mm，HBA（212.4 mm）与BA的水准值（217.2 mm）比较仅差4.8 mm。

表3 平差成果

综上所述：通过采取一系列措施，这次RTK高程相对高差可以达到三等跨河水准精度的要求。

3 结语

通过上述研究与试验表明：

1）选择较好的卫星时段，通过不同的布网形式，采取一定的措施，在地形较简单的地区，RTK相对高差是可以达到三等跨河水准精度要求的。

2）布网时，根据观测等级及跨河宽度的不同，可采用四边网或三边网。

3）采用RTK技术做跨河水准，应在河的两岸进行相应等级的水准观测，作为跨河水准的依据。

4）实验中，由于经验缺乏，对影响RTK的实时解算精度的部分因素不够清晰，实施原则需完善。

5）RTK高程相对高差代替跨河水准的有效距离应有最大、最小限制。