GPS RTK的误差分析及质量控制

李军民

摘 要：文章重点分析了GPS RTK测量的误差来源及其对GPS RTK测量的影响分析，提出了减小误差的方法从而加强质量控制，最后示例分析了GPS RTK定位技术的精度及内不符合精度。

关键词：误差分析；精度；质量控制

1 GPS RTK测量的误差来源及其影响

1.1 与卫星有关的误差及分析

1.1.1 卫星星历误差

卫星星历误差的产生是多种摄动力对GPS卫星作用的结果，并且这些摄动力的作用规律也难以测定。而卫星作为已知点参与定位解算，一旦卫星星历中含有误差，单点定位的精度将在很大程度上受到影响，这也是精密相对定位中的重要误差来源。

现在，对于这种误差的解决办法有两种：一是独立定轨，保证导航和实时定位可靠性的精度；二中轨道松弛法，在平差过程中，把卫星轨道当作初始值，卫星轨道改正数为未知数，最后同时求出测点坐标和轨道改正数[1]。

1.1.2 卫星钟差

只有卫星钟和接收机钟时间保持一致才能保证准确的定位测量，然而实际中它们与理想中的GPS时相比是不可能完全一致的，虽然这种差异大概在1ms内，但是这1ms的等效距离大约为300km[2]。

为了能够精确地确定卫星钟差，通常的做法都是进行持续监测卫星钟运行状态，然后建立钟差改正模型，改正后由卫星钟差引起的误差将在6 m以内。

1.2 卫星信号的传播误差

1.2.1 电离层折射的影响

GPS卫星信号在传播过程中遇到电离层，其路径就会发生变化，并且这种影响随着传播路径线与地平线夹角的增大而减小。

通常采用以下方法来减弱电离层的影响：利用双频观测；通过导航电文可以获得电离层模型，可以利用电离层模型加以修正，但是它只有一定的改善作用，有效性仅为75%左右；在作业过程中可以用两台（含）以上仪器同时观测，并提取观测值之差，这时的残差将不会超过10-6。

1.2.2 对流层折射的影响

对流层会使GPS信号发生折射作用，因此其传播路径就会发生变化——称为对流层延迟，这时其影响随着卫星信号高度角的增大而减小。

可以有效利用下列方法消弱对流层的影响：采用对流层模型加以改正；把对对流层有影响的因素当作未知参数，在数据平差过程中一起求解；观测量求差，此方法与上述消弱电离层对GPS信号影响的方法相同。

1.2.3 多路径效应

高反射物体的反射作用是多路径效应产生的主要原因，通常情况下这种影响的范围一般在5～9cm，在遇到糟糕的环境时甚至能达到15cm，因此在高精度测量工作当中，多路径效应是必须要考虑的。

目前可以采用以下方法减弱多路径效应：测站的选择要合适，要尽量远离反射物体，如成片的水域、信号塔、雷达站、高层建筑物、山谷等；天线的选择要合理，如选择扼流圈天线；有效地增加测量时间，这样可以减弱多路径效应的周期性影响[3]。

1.3 与接受机有关的误差及分析

1.3.1 接收机钟差

由于成本的限制，接收机通常采用石英钟，石英钟与原子钟相比误差更大。接收机钟差将会严重影响作业成果的精度，所以需要采用有效的方法将其削弱甚至消除。

目前通常采用下列方法有效削弱接收机钟差的影响：在求解参数的过程中，将所有时段观测得到的接收机钟差都当作独立的未知数进行求解；在接收机钟差和时间之间建立函数关系式，当然这个关系式必须完全正确可靠，这样才能有效减弱接收机钟差；也可以通过在卫星间一次求差的方法来削弱接收机钟差，和第一种方法本质相同。

1.3.2 天线相位中心位置偏差

GPS信号输入的强度和方向不同时，天线相位中心的位置就会变化，从而导致与其几何相位中心不符，进而对测量结果有一定的影响。在实际测量工作中，消弱这种影响通常采用同种型号的仪器，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，通过观测值求差来实现。

1.4 其他因素误差

其他的误差因素主要包括坐标转换参数误差、参考站坐标误差、地球自转的影响。

2 GPS RTK测量的质量控制方法

2.1 精确求解坐标转换参数

GPS RTK在作业时直接获取的是WGS-84坐标系统，而在实际工作中所使用的往往是北京54或者地方坐标系下的坐标，因此在数据处理时必须进行坐标系的转换，精确地得到坐标转换参数才能使结果更趋近于真值。

通過大量的实践与分析可得：控制点必须均匀分布，同时这些控制点要覆盖到整个GPS基准站网，由这些控制点求得坐标转换参数才是合理的；这些控制点的点位精度越高越好，可由静态相对定位获得；为了获得精度较高的坐标转换参数，通常采用严密的七参数转换法，求得的参数须用已知点检验其精确度。

2.2 正确选择基准站

基准站应满足GPS基本的观测条件，另外必须能够播发或传输差分改正信号。一般基准站都选在视野开阔、周围尽量没有成片的水域、信号塔、雷达站、高层建等地点，以便消除或者消弱多路径效应的影响，提高RTK的测量质量。

2.3 作业时段的选择

通过以往的经验总结PDOP值较大的时间段是很容易出现粗差的，所以就要求我们选择PDOP值小的时段作业。经过卫星预报分析总结，中午12点左右PDOP值相对较大，不适合RTK测量，所以应该尽量避开这个时间段作业，这样初始化时间短，效率高，精度高。

2.4 进行重复观测来提高点位精度

通常情况下这些控制点需要独立测量两次，测到数据后进行重新求解整周模糊度，然后做两次收敛，当这两次求解的坐标值之差不大于±5cm，取其平均数当作最终结果。

2.5 解决盲点

基准站架设在地势开阔、位置较高的地方，同时提高流动站天线的高度，这样可以有效解决有数据链信号接收的问题，从而解决盲点；如果是点位观测条件不好，卫星信号差导致无法作业，应该在该点位附近选择条件好的位置加测图根控制点，然后利用全站仪补测该点。

2.6 加强观测中的校核

在观测中进行校核有如下两种方法。

（1）已知點检核比较法：在控制网内多布设几个多余的控制点，利用静态GPS测出这些控制点的坐标，然后将RTK测出的成果与静态GPS结果做认真对比，及时发现问题和原因并利用正确合理的方法进行改正。

（2）重测比较法：当初始化成功后，选取2个已经测过或者高精度的点位进行重测检核，确认没有差错后再进行正式的作业。

3 示例数据分析

该测区位于重庆市，南北约1000m，西北约600m，总面积约0.6km?，共有10个GPS控制测量点，它们的坐标都已经采用静态GPS测量平差的方法测出。现根据相关RTK测量规范进行了RTK作业，数据平差后分析如下：

3.1 RTK数据分析（表1）

由表1可以得出，X，Y，Z各分量的差异值都在-19～9 mm。其结果与静态测量数据比较可以看出，测量稳定性明显降低，造成这种结果的原因是RTK测量比较受天气状况（如空气湿度）、卫星状况或者数据链传输状况等多种因素的影响。虽然RTK测量的精度及稳定性不及静态GPS测量，但也有作业效率高，没有误差积累等各种优点，完全能够满足一般工程的精度要求，实用价值高。

3.2 RTK测量数据的内部符合精度

内符合精度是指RTK多次测量值与测量算术平均值的较差，即

由表1和表2可以看出，RTK测量X坐标的内符合精度最大值为19.7mm，最小值为4.4mm，平均值为10.3mm；Y坐标的内符合精度最大值为19.1mm，最小值为3.5mm，平均值为10.0mm；Z坐标的内符合精度最大值为14.2mm，最小值为1.0mm，平均值为4.3mm。由此可看出RTK测量的内部符合精度较高，相对稳定，可以在施工测量中作业。

4 结束语

GPS RTK定位技术相比常规测量及静态GPS测量来说，其有很大的优点，作业效率大大提高，带来了很高的经济效益。目前选择高精度RTK仪器和合适的作业方式，通过文章中提出的质量控制，将能得到更加稳定可靠的高精度成果。相信随着RTK技术的不断发展与成熟，其将会在很多领域得到广泛的应用。

参考文献

[1]王婷婷.GPS测量误差分析及控制[J].电子工程，2008，（3）：20-21.

[2]吕代和.GPS测量的集中误差及相应处理办法[J].贵州科学，2007，（25）：194-195.

[3]余兵.RTK在工程测量中的应用初探[J].科技创新导报，2010，（20）：101.