RTK技术在工程测量中的应用研究

2018-01-02杨凯

海河水利 2017年6期

关键词：换能器架设电台

杨凯

（海河水利委员会海河下游管理局，天津300061）

RTK技术在工程测量中的应用研究

杨凯

（海河水利委员会海河下游管理局，天津300061）

工程测量的准确度直接影响工程的质量、安全、功能。随着GPS测绘技术的发展，RTK技术逐步成熟，在工程放样、大地测量、海洋测量、航空测量等领域得以推广且测量过程中可实时提供厘米级精度的三维坐标。介绍RTK技术的发展现状、工作原理、试验步骤，以V60 GNSS RTK为例开展实地测量并对测量数据误差进行分析。试验证明，RTK测量精度可达到0.01 m以内，并结合单频测深仪进行水下测量完成地形测绘工作。RTK技术具有精度高、质量好、减少外业劳动强度、提高效率等优点，可在水利工程测量中推广应用。

GPS技术；RTK技术；工程测量；检验校验；水下测量

1 引言

在水利工程建设中，测量的精度决定工程项目的质量、安全及功能。随着社会发展，水利工程规模日益扩大，对测量精度的要求越来越高。测量仪器经历了从经纬仪、水准仪等传统光学仪器到以全站仪、电子水准仪为主的电子仪器的过渡，测量精度和效率逐步提高[1]。GPS（Global Position⁃ing System）技术是由美国国防部建立的一套全球定位系统，可提供连续、实时、动态、高精度导航定位信息，为工程测量、海洋测绘等提供高精度的测量手段。

近年来，随着GPS技术的不断发展，人们提出RTK这种新型的GPS测量技术。RTK技术是一种能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它的出现为工程放样、地形测绘、各种控制测量带来新的曙光，极大地提高了野外作业效率[2]。因此，笔者主要以中海达公司V60 GNSS RTK为例，分析了其技术发展情况和测量中的部分关键点，开展实地测量并对测量数据误差进行分析。试验证明，RTK测量精度可达到0.01 m以内，并结合单频测深仪进行水下测量完成地形测绘工作。

2 RTK技术现状

RTK（Real-time Kinematic）载波相位差分技术，是实时处理2个测量站载波相位观测量的差分方法[3]。它通常由以下部分组成：①基准站；②移动站；③无线电台；④发射天线；⑤供电电瓶。

基准站架设在已知的固定点上，通过无线电台发射载波相位信号，移动站同时接收电台信号和GPS卫星信号两路信号，进行差分计算获得两点间的相对位置关系，从而得到移动站所在位置的三维坐标信息。

3 RTK测量关键点

3.1 试验方法及步骤

（1）基准站的选定和建立。基准站设置应满足GPS静态观测的要求，还应将天线架设在地势较高、四周相对开阔的楼顶位置，便于信号发射。基准点可设在已知坐标点上。

（2）地方坐标转换参数计算。根据已知点和测量点的三维坐标，进行七参数转换，为RTK测量做准备。至少选取3个以上控制点进行参数计算，选取2个以上控制点进行校验检验。控制点应均匀分布在测区范围内，以减小参数转换误差。

3.2 接收机主要性能

接收机以中海达公司V60 GNSS RTK系统（以下简称V60）为例，如图1所示，其主要性能指标见表1。该设备定位精度如下：平面±（8+1×10-6D）mm（D为被测点间距离），高程±（15+1×10-6D）mm。该设备静态定位精度如下：平面±（2.5+1×10-6D）mm，高程±（5+1×10-6D）mm[4]。

图1 V60系统

表1 RTK接收机性能指标

V60有两种工作模式，分述如下。

（1）V60具备使用外挂UHF数据链基准站模式，使用外挂电台作业时基准站使用该模式，其中外挂电台为单发外挂电台，功率5、10、20、30 W可调，频道116个频段可调。

（2）V60使用内置UHF电台的移动站模式，使用电台作业时移动站使用该模式，其中内置收发一体电台，功率1、2、5 W可调，频段450～470 MHz，传输速率19.2、9.6 kbps可调，频道116个频段可调。

3.3 基准站架设

基准站架设主要包括V60、外挂电台、吸盘式发射天线、铅蓄电池、三脚架等[5]。在已知坐标点上架设基准站，设备连接方式如图2所示，电台、基准站接收机分别开机进行初始化工作；使用iHand智能手簿，新建工程，并设置工程参数，如坐标系选取等，通过蓝牙方式连接V60终端，将设备设置为基准站，并在架设点位进行平滑处理。

图2 基准站架设示意

基准站架设主要依照以下要求进行：①基准站选择在较为开阔区域，高度角≥15°；②基准站尽量架设在测区制高点上，有利于信号传播；③基准站应远离电磁干扰，尽量避开高压输电线路、微波通信铁塔等设施；④测量作业尽量选择在天气情况较好的时间开展，避免因大风阴雨造成信号丢失；⑤基准站作业期间不得移动位置，不得关机重启，如移动或重启需要重新进行校验检验；⑥基准站开始工作，应注意电台频道和信号收发指示灯工作状态；⑦铅蓄电池注意正负极连接，注意防雨防水措施。

3.4 移动站架设

使用iHand智能手簿连接移动站主机，连接方法与基准站连接相同。连接完成后，将设备设置为移动站；电台工作模式选择使用移动站内置电台，输入电台频道，确保与基准站通信正常；根据测杆刻度，修改天线高度，完成移动站基本设置。

移动站使用时应注意以下几点：①测量开始前，首先要确保手簿与移动站主机蓝牙连通；②通过iHand手簿查看移动站电源情况，确保工作时间；③选择3个或以上的已知点进行坐标转换，得到七参数；④选取测区范围内的其它已知点进行校验检验；⑤测杆高度一般设置为2 m进行测量作业，当高度改变时应修正。

4 RTK测量

4.1 RTK单点测量步骤

（1）将基准站架设在已知基准点上，架高发射天线，连接线缆，打开外置电台、基准站主机电源，进行初始化设置。

（2）使用Hi-RTK Road软件，新建工程，点击GPS连接基准站进行设置，达到固定解，然后设置好坐标系统及中央子午线，在不带任何参数的情况下对参与解算的控制点进行采集。

（3）连接移动站，修改天线高度。

（4）计算七参数。将已知控制点导入控制点库，依照图3步骤，选取3个已知国家坐标点进行七参数计算，结果如图4所示，点击“运用”；参数运用完后可在“椭球转换”中查看，如图5所示。

图3 七参数解算过程

图4 七参数解算结果

（5）校验检验。将移动站架设在控制点1上，保持测杆上水平气泡居中，在“坐标系统”中选择点校验，点击平滑按钮，10 s平滑过程完成后，导入控制点1坐标，计算得出改正值，完成校验过程；将移动站架设在控制点2上，保持测杆上水平气泡居中，点击Ent测量该点坐标，与已知坐标进行比对，当误差在10-2m范围内时，完成检验过程。

图5 椭球转换

（6）使用移动站对5个待测已知点进行测量，每个点测量5次，将5次数据进行算数平均，得到RTK测量值。

4.2 测量结果

已知点坐标、RTK测量结果和对比结果，见表2。

表2 试验结果对比

在5个已知点X、Y、H坐标与RTK测量值对比发现，大于0.01 m的坐标值有3个，其余12个坐标值均小于0.01 m，其中最大差值为0.013m、最小差值为0 m。

5 与测深仪进行水下地形测绘

5.1 测量原理

以HY1700单频测深仪（以下简称HY1700）为例，HY1700由发射接收模块、量化模块、显控模块和电源模块组成，通信接口使用RS232与PC端进行双向通信，探测精度可达所测深度±0.01m[6]，具有携带方便、操作简单、测量精度高、实时记录水深数据并进行保存等优点，主要性能参数见表3。HY1700由以下部分组成：①测深仪主机；②换能器；③测杆。

换能器是HY1700的最前端设备，将电信号转换为高强度稳定的探测声波，向水中发射，遇到底部或障碍物时进行反射，换能器实时采集反射信号，滤除噪声，将反射声波转换为电信号反馈给测深仪主机[7]。