GPS实时动态RTK测量技术在邛海库容测量中的应用

(四川省岷江水文水资源勘测局，四川 眉山，620020)

1 概述

全球定位系统(Global Positioning System-GPS)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资数百亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS以其全天候、高精度、自动化、高效率等特点，成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航、地壳运动监测、资源勘察、地球动力学等方面。GPS系统主要由空间部分(GPS卫星星座)、地面控制部分(地面监控系统)、用户设备部分(GPS信号接收机)三部分组成，三者具有独立的功能和作用，又有机地配合在一起彼此不可分割。GPS系统主要有定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业、功能多、应用广泛等特点。

近年来，GPS定位技术在基础研究、科学实验、硬件与软件开发、推广应用等方面获得迅速发展，取得了令人瞩目的成就，标志着对测量工程技术的重大突破和深刻改革，对测量科学和技术的发展具有划时代的意义。

2 RTK技术的基本原理及组成

实时动态(Real Time Kinematic)测量技术，是全球卫星导航定位技术与数据通信技术相结合的载波相位实时动态差分定位技术，是测量技术发展中的一个重大突破。其基本原理是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备(数据链)实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据；然后根据相对定位的原理，在系统内组成差分观测值进行实时处理；再经过坐标转换和投影改正，实时地计算并显示移动站的三维坐标；并提供测站点指定坐标系中的三维定位结果，精度可达到厘米级。

RTK测量系统由基准站、流动站及通讯系统三部分组成。基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射设备、电源、基准站控制器等；流动站包括GPS接收机、GPS天线、电源、无线电通讯接收设备及流动站显示控制等。

图1 RTK测量原理

3 RTK测量仪器介绍

西昌邛海库容测量，由中海达V30GNSSRTK测量系统和HD-310全数字单频测深仪组成。

中海达V30接收机，它采用天宝BD970多星多系统内核，内置收发一体电台，基准站与移动站能完全互换，超长距离外挂电台，支持全球卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位。RTK定位精度，平面：±10mm+1ppm，高程：±20mm+1ppm；初始化时间小于10s，单个基准站作业半径可达10km～20km。

HD-310全数字单频测深仪，工作频率200kHz，最大发射功率500W，测深范围0.3m～600m，水深最大采样速率每秒钟30次，测深精度±10mm+0.1%h，分辨率1cm。

4 RTK在邛海库容测量中的应用

水下测量与陆上测量不同，看不见水下地形的起伏，不能像陆上测量那样可以选择地形特征点进行测绘。传统的水库库容测量方式采用断面法，计算某一高程下的断面面积，再计算两个断面之间的体积，体积的累加就是要测的库容，目前国内大多数水库测量仍采用这种方法。传统的测量仪器有经纬仪、水准仪、激光测距仪、全站仪等，由于水上无法建立控制点，船只必须在岸上测量仪器的指导下才能获得均匀的测点。当水域面积很大、通视条件差、水库植被较好时，采用传统仪器测量船只定位非常困难，测量难度也大，同时布设断面标志、基线标志等需要花费大量的人力、物力。

采用GPS实时载波相位差分RTK测量，则可以克服以上几个方面的困难。RTK测量可以采用断面法，也可以采用地形法测量，其工作方式为：利用库区的平面和高程控制网，规划好RTK测量基准站的位置，保证测量区域或断面测量区域与基准站距离在15km以内，在地形图上规划好测量断面的位置坐标，用GPS实时动态RTK测量，获取三维坐标。RTK测量改变了原来盲目测点的作业模式，大大提高了水下测量的精度。

4.1 作业准备

为保证测量工作的顺利进行，提高工作效率和测量精度，首先是建立基准点。点位的选择应考虑：仪器设备安装方便，视野开阔；点位周围不应有障碍物，以减小GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；点位应远离大功率无线发射源(如电视台、微波站等)，其距离不小于200m；远离高压输电线，以避免电磁场对GPS信号的干扰；点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体等。本次邛海库容测量基站设在四周空旷、视野开阔、无其它因素影响的地方，GPS信号发射接收正常。

4.2 坐标转换

正确处理和转换坐标参数确保测量成果精度。GPS定位是在WGS-84椭球参照系下进行的，而1954北京坐标系是基于克拉索夫斯基椭球参照系，两椭球之间的系统参数不同，必须进行坐标转换。由于地面国家控制网误差的影响，各地区的转换参数不太一致，因此测量前必须利用高等级控制点求得准确的转换参数，以使差分测量成果转换为1954北京坐标系下的坐标。作业开始时，在邛海附近选取3个己知坐标控制点，用快速静态方式获得WGS-84坐标，对其进行了坐标转换并对已知点进行了校核，同时测量结束时又对其进行校核，以证明已知点成果的可靠性及所求坐标转换参数的准确无误。

4.3 水下测量

在进行测量时，要保证基准站和移动站各项参数设置的正确性，特别要注意平滑精度，天线高度、无线电台的设置，各种数据线连接是否正确；回声测深仪要根据水域的物理特性，正确设置好吃水深度、水温、声速及串口的波特率等参数。同时，把控制点的点号和坐标以及规划好的断面线端点点号和坐标值输入移动站的手簿和计算机中，根据实际情况设置好数据采集频次；确保信息准确无误后方可开机测量。

本次邛海测量采用中海达V30型接收机进行RTK作业，HD-301全数字单频测深仪、便携式计算机共同组成测量系统。GPS接收机接收卫星定位信息和基准站传来的信息，并将差分解算后的精确坐标实时记录在计算机内。回声测深系统通过计算机实时观察水深和河底的变化情况，自动测深并显示数据记录。同时，计算机通过外接导航显示器实时提供导航信息，以保证驾驶人员能够在计算机显示屏上看到航迹，并严格按照预定的断面线行驶。由于回声测深系统和GPS接收机都外接计算机实时输出水深数据和定位数据，因此在设置时要注意计算机、回声测深仪及GPS接收机通信畅通，以保证计算机在软件的支持下能同时记录数据，使测深和导航同步进行。

4.4 数据处理

测量结束后，对观测采集的水深数据进行水位改正、声速改正和动态吃水改正，以满足成图的要求。通过专用软件对采集的数据进行检查、修改、矢量化，转换成分析计算的数据格式，如AutoCAD(*.dxf)格式、Excel(*.csv)格式、CASS(*.dat)格式或自定义格式等，以方便后期的分析、计算、绘图等工作。

图2 邛海断面布设示意

4.5 测量中的注意事项

4.5.1 在测量过程中，移动站和基准站应跟踪到相同的卫星必须4颗以上，移动站要保持RTK的固定解，不能出现浮动；要注意测量时间段的选择，综合考虑星历、天气等因素对RTK作业的影响，精度过低无法工作。

4.5.2 要注意基准站与移动站之间的通讯距离。为了避免不必要的频繁搬迁基站,应加大基站电台发射功率或升高电台天线的高度。

4.5.3 在RTK测量过程中,有时会出现在某个区域或某个时间段内,解算时间较长，甚至无法获取固定解或数据链不稳定情况。原因可能是，周围存在建筑物的遮挡或外界无线电干扰，遇此需要重新选点，避开其因素影响。笔者曾在离高压输电线不远的地方建立基准站和移动站的数据链，始终出现RTK信号无法固定的情况，避开高压线一定距离后，问题解决，RTK通讯正常。

4.5.4 应注意基准和移动站的电源，出现指示灯慢速闪烁时就更换电源，保证电源电量。

5 库容计算与模型的选取

目前，水库库容的计算方法多种多样，如断面法、等高线容积法、方格网法、三角网格法等，各种方法计算原理有一定的差异和适用条件，各有优缺点。断面法，是一种常规的计算方法，应用比较广泛，但有一定的局限性，主要适用于典型的河槽式河流。等高线容积法，计算模型建立在把水体按不同高程面微分成n层梯形体，整体库容由n层梯形体体积积分求得。方格网法，是利用巳建立的库区数字高程模型，将水体微分成若干个正方体，通过对每个正方体的体积空间积分，即可求得整个水库库容。

本次邛海库容计算采用三角网格法。采用DTM法(数字地面模型)，根据实际库底特征将水体微分成n个三棱锥体，根据实地测定的点坐标(X，Y，Z)和水面高程，通过生成三角网来计算每一个三棱锥的方量，通过对每个柱体的体积求和，即求得水库库容。

6 结语

GPS实时动态RTK测量技术在各领域运用越来越广泛，在西昌邛海库容测量中，与常规方法相比，其测量精度、测量效率均得到大幅度的提高，减轻了工作量和劳动强度，节约了测量成本。采用RTK技术测量，实现了水库测量的自动化、数字化，使以前受测量仪器限制、环境因素影响等复杂的测量工作变得简单化，对水下测量来说是革命性的变化，也是一次飞跃。

〔1〕李明峰,冯宝红,刘三枝.GPS定位技术及其应用.北京:国防工业出版社,2006.

〔2〕林祚顶.水文现代化与水文新技术.北京:中国水利水电出版社,2009.

〔3〕谢悦波.水信息技术.北京:中国水利水电出版社,2009.

〔4〕中海达V30 GNSSRTK系统使用说明书.广州市中海达测绘仪器有限公司.