GNSS-RTK测量精度分析与质量控制

2016-08-11张向红湖南省地质测绘院湖南省衡阳市雁峰区421001

低碳世界 2016年11期

张向红（湖南省地质测绘院，湖南省　衡阳市　雁峰区　421001）

GNSS-RTK测量精度分析与质量控制

张向红（湖南省地质测绘院，湖南省衡阳市雁峰区421001）

近些年，单基站全球卫星导航系统（GNSS）实时动态差分法（RTK）技术在各类高精度定位中得到了广泛应用，尤其是随着GNSS定位技术的发展，GNSS逐渐从静态定位领域发展至实时高精度动态定位领域，目前地表90%的导航定位数据采集基本来自GNSS技术。本文首先分析了GNSS-RTK技术作业原理及其测量精度，其后就实例分析了GNSS-RTK测量技术的应用与质量控制，以期获得更为精确的测量数据。

GNSS-RTK技术；测量精度；质量控制

1　引言

GNSS-RTK技术凭借着测量精确度高、运速快、全天候、单站测量范围等等优势，在测绘领域中得到了广泛应用。由于GNSS-RTK定位主要采用载波相位差分的方法，一般可达到（10mm+2×10-6D）的精度，做好其测量精度分析与质量控制具有现实意义。

2　GNSS-RTK技术作业原理及其测量精度分析

2.1 GNSS-RTK技术作业原理

GNSS-RTK是以载波相位观测为基础的实时动态测量技术，主要组成部分包括基准网站、流动站、数据处理中心和数据通信系统。

GNSS-RTK测量技术作业原理如下：将基准站接收机布设于已知/未知坐标参考点上，以连续接收所有的可视GNSS卫星信号，基准站将测量所得的站点坐标、载波相位观测值、伪距观测值、接收机工作状态以及卫星跟踪状态，借助无线数据链传送至流动站，其后流动站进入到初始化状态，搜索求解整周未知数，最后进入到动态作业。流动站接收基准站传入的数据，同步观测采集GNSS卫星载波相位数据，通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据基准站与流动站相关性，得到流动站平面坐标X、Y和高程H。

2.2 GNSS-RTK技术测量精度

平面精度：（10mm+2×10-6D）；

高程精度：20mm+2×10-6D。

单基准站RTK单次观测时，流动站相对于基准站的相对点位中误差估算如下：

式中：δ——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。

2.3 GNSS-RTK测量技术要求

RTK测量前，需按照任务要求，将测区高等级控制点地心坐标、参心坐标、坐标系统转换参数以及高程成果收集到位，并开展相应的技术设计。RTK流动站和基准站间作业距离不得大于10km。考虑测区具体情况，可设置不同高度发射天线、架设中继站，增长传播距离。数据传输距离于测站天线高度的理论关系如下：

式中：D——数据链覆盖半径/km；

h1——基准站电台天线高/m；

h2——流动站天线高/m。

3　实例分析GNSS-RTK测量精度要求及其质量控制

3.1工程概况

本项目为某城市道路改造工程，道路红线宽度60m，全长3.44km，其中，含主线高架桥及4座立交，主线高架桥长约1.8km，其余路段采用地面走向，道路长约1.64km。该道路两侧为工业区和居民生活区，建筑物密集、交通繁忙、无线电信号复杂、街道两旁树木密集。

3.2 GNSS-RTK测量精度要求

本工程只提供4个基准控制点，无法满足工程施工需要，为此，首先采用GNSS静态控制测量进行控制点加密，再利用已知控制点进行RTK动态碎部测量。

3.3 GNSS加密控制网施测及其质量控制

3.3.1网形布设

GNSS加密控制网以GNSS导线形式沿道路布设，共布设控制点22个，控制点编号为GP01～GP22，其中，GP02、GP06、GP20、GP22为原首级控制点。控制测量采用ITRF97框架、2000.0历元三维地心基准和北京54坐标系，椭球参数为a=6378245m，f=1/298.3，东经114°中央子午线，高斯3°带正形投影，1985国家高程基准，北京标准时BST时间。测量控制网布置如图1所示。

图1　道路改造工程控制测量网布置图

3.3.2控制网施测

采用6台中海达V30 GNSS-RTK系统进行控制测量。平面控制网按E级GNSS的相关技术要求进行施测。采用网联式观测方案，共施测4个时段，设22个测站，观测66条基线，联测19个控制点，重复设站率为1.6，卫星高度角不小于15°，有效观测卫星数不小于10颗，平均重复设站数不小于1.6，观测时段长度大于等于60min，数据采样间隔为15s，PDOP≤6。

GNSS测量前，选用IGR商用软件预报精密星历，编制测区卫星可见性预报表和卫星出现的方位图等，以选择最佳观测时段。每时段开关机前在互为120°的3个方向上各量测天线高一次，量测互差应小于2mm，记录资料完整无误，将标盖复原后方可迁站。

3.3.3基线解算

本工程采用TGO数据处理软件解算基线向量，为保证控制点的CGCS2000三维坐标精度，与WHCORS系统WHKC（勘测院）站进行联合数据处理。基线采用双差固定解，整周模糊度固定Ratio值大于3。同步环坐标分量相对闭合差应满足6.0×10-6、环线全长相对闭合差10.0×10-6的要求。异步环坐标分量闭合差和全长闭合差应符合Wx≤2nσ、Wy≤2nσ、Wz≤2nσ、W≤23nσ的要求。未通过检验的基线予以舍弃，舍弃后，若存在不能与两条合格基线连结的任一控制点，则对该点进行重测，且不少于一条独立基线，任何情况下都不允许出现无约束的自由基线。

3.3.4网平差计算

网平差计算采用COSA GPSV5.2平差软件。①进行三维无约束平差，剔除基线向量改正数超过限差的基线；②用满足限差要求的独立基线重新进行三维约束平差。在进行约束平差之前，先进行起算控制点的兼容性检验。约束平差中，基线向量改正数和剔除粗差后无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差按dVΔx≤2σ、dVΔy≤2σ、dVΔz≤2σ的要求进行检验。

三维无约束平差以WHKC的已知CGCS2000坐标作为起算依据，基线向量改正数需满足：VΔx≤3σ、VΔy≤3σ、VΔz≤3σ。无约束平差后，输出各基线向量的改正数、基线边长、方位、点位的精度信息。通过三维无约束检核原始基线向量，再引入高等级原有控制网已知数据分别在WGS-84椭球和1954北京坐标系椭球基准下进行约束平差。

3.4质量评价及其控制措施

3.4.1质量评价

本工程四等控制测量精度良好，完全能够满足各项技术规范、规程和工程施工的要求。根据测量结果计算得知，平面控制网中各相邻点的点位中误差不大于±20mm，平面控制网边长相对中误差不大于1/45000，当边长小于200m时，边长相对中误差不大于±20mm。二维约束平差后，最弱点为GP21，X方向点位精度为0.8cm，Y方向点位精度为0.5cm，点位中误差为0.943cm。最弱边为GP08～GP09，其边长为268.903m，相对精度为1/46190，满足相关规范要求。表明本次平面加密网成果具有良好的可靠性，满足本工程施工建设的需要。

3.4.2质量控制措施

根据本工程GNSS静态控制测量实践，可以采用以下方法提高GNSS控制测量的精度，加强质量控制。

（1）在布设GNSS网时，采用同步图形扩展方式，适当增加观测期数（增加独立基线数），保证一定的重复设站次数。保证每个测站至少与3条以上的独立基线相连，在布网时，使网中所有最小异步环的边数不大于6条。

（2）为保证对卫星的连续跟踪观测和信号质量，测站应设置在开阔地带，在其上方15°高度角范围内不能有成片的障碍物。在测站周围约200m范围内，不能有强电磁波干扰物，应远离对电磁信号反射强烈的地形、地物，例如：高层建筑、成片水域等，以避免或减少多路径效应的发生。

（3）在全面网之上布设框架网，引入高精度激光测距边与GNSS基线向量进行联合平差或作为起算边长。起算点均匀分布在GNSS网的周围，避免分布在一侧。

（4）进行卫星预报，选择较好的时间段进行 GNSS观测。进行基线解算时，删除观测时间太短的卫星观测数据及相同的时间段内多颗卫星周调严重的时间段。

（5）在提取基线向量进行GNSS网平差时，先进行三维无约束平差，然后进行约束平差或联合平差，即在控制测量中需引入精度较高的外部点参与平差计算，以提高控制测量精度。