摘要:隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活的不斷提高，我國現(xiàn)代科技也在快速的發(fā)展，GPS 技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，本文結(jié)合作者多年工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)GPS PTK的測(cè)量特點(diǎn)及測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，以供參考;

　　關(guān)鍵詞: 工程測(cè)量;GPS;應(yīng)用;

　　0 前言

　　全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是由美國國防部聯(lián)合美國海、陸、空三軍為滿足其軍事導(dǎo)航定位而建立的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其系統(tǒng)從1973年開始研究，到1993年完成全部衛(wèi)星組網(wǎng)工作。該系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在相隔60°的6個(gè)軌道面上，衛(wèi)星軌道的長半軸為26609km, 軌道傾角55°，衛(wèi)星高度20230km，衛(wèi)星運(yùn)行周期718min，此軌道參數(shù)能保證衛(wèi)星信號(hào)覆蓋地面面積38%,這樣在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都可以接收至少4顆衛(wèi)星運(yùn)行定位。對(duì)于我們所熟知的GPS，可以說它是測(cè)量史上的一次變革，它為我們提供了全天候、高精度、高效率的測(cè)量方法。但是GPS也有它自己的不足之處，比如說作業(yè)時(shí)間長、數(shù)據(jù)要進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理等。對(duì)于工程測(cè)量來說，工程放樣是必不可少的，一個(gè)較大的工程建設(shè)，含有大量的工程放樣工作，放樣質(zhì)量的好壞直接影響到工程建設(shè)的質(zhì)量，能否高質(zhì)量、高效率地完成放樣工作是我們亟待解決的問題，而工程放樣中的最基本的放樣就是點(diǎn)放樣。

　　放樣就是要求通過一定方法采用一定儀器把人為設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位在實(shí)地給標(biāo)定出來，過去采用的常規(guī)放樣方法很多，如經(jīng)緯儀交會(huì)放樣、全站儀的邊角放樣等等，一般要放樣出一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)位時(shí)，往往需要來回移動(dòng)目標(biāo)，而且要2-3人配合操作。同時(shí)在放樣過程中還要求點(diǎn)間通視情況良好，有時(shí)放樣中遇到困難的情況會(huì)借助于很多方法才能實(shí)現(xiàn)，在生產(chǎn)應(yīng)用上效率不是很高。如果采用RTK 技術(shù)放樣時(shí)，僅需把設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，拿著GPS接收機(jī)，它會(huì)提醒你走到要放樣點(diǎn)的位置，既迅速又方便，由于RTK 是通過坐標(biāo)來直接放樣的，精度很高也很均勻，因而在外業(yè)放樣中效率會(huì)大大提高，且只需一個(gè)人操作。RTK工程放樣與“經(jīng)緯儀加鋼尺”或“全站儀”放樣相比，可以說是工程放樣的一次深遠(yuǎn)的測(cè)量革命，它具有作業(yè)簡(jiǎn)便、直觀、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)。

　　1、GPS RTK測(cè)量技術(shù)及原理

　　GPS RTK即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)衛(wèi)星全球定位技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是通過一臺(tái)基準(zhǔn)站和若干臺(tái)移動(dòng)站組成的測(cè)量系統(tǒng)，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間使用無線數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行連接。移動(dòng)站以基準(zhǔn)站的已知數(shù)據(jù)獲得改正參數(shù)，基準(zhǔn)站和移動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)得到測(cè)量數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站同時(shí)又把測(cè)量修正參數(shù)通過無線數(shù)據(jù)鏈傳送給移動(dòng)站，使移動(dòng)站測(cè)量數(shù)據(jù)得到改正而獲得所需要的測(cè)量成果，這樣移動(dòng)站就可以實(shí)時(shí)、方便、快捷地進(jìn)行各種測(cè)量工作。GPS RTK數(shù)據(jù)處理實(shí)際上是基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的單基線處理過程。

　　RTK 工作原理是：利用2 臺(tái)以上GPS 接收機(jī)同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，其中一臺(tái)接收機(jī)在已知高等級(jí)點(diǎn)上(基準(zhǔn)站)安置，對(duì)所有可見衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)站信息，通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給移動(dòng)站，即未知點(diǎn)上的另一臺(tái)GPS 接收機(jī)。移動(dòng)站GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后根據(jù)載波相位差分技術(shù)的原理，實(shí)時(shí)解算出移動(dòng)站的三維坐標(biāo)及其精度，實(shí)現(xiàn)實(shí)施高精度定位。

　　2、公路工程中應(yīng)用GPS RTK測(cè)量技術(shù)

　　2.1 控制點(diǎn)加密的測(cè)量

　　在首級(jí)控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，為滿足地形圖及斷面等測(cè)量的需要，必須進(jìn)行加密控制點(diǎn)的測(cè)量。而公路工程多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，已知高等級(jí)控制點(diǎn)較少，常規(guī)的控制測(cè)量方法是測(cè)距儀導(dǎo)線，測(cè)量精度受到很多條件限制，且工作量大。而用GPS RTK加密測(cè)量控制點(diǎn)則很簡(jiǎn)單，只需在測(cè)區(qū)10km范圍內(nèi)有3 個(gè)以上且包含測(cè)區(qū)的高等級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)即可，操作簡(jiǎn)單方便，平均每天可測(cè)量30~40個(gè)加密控制點(diǎn)，效率較高。

　　2.2 施工放樣測(cè)量

　　利用RTK 隨機(jī)軟件中放樣的功能進(jìn)行點(diǎn)、直線、曲線放樣功能，進(jìn)行施工放樣測(cè)量。輸入設(shè)計(jì)好的已知坐標(biāo)作為參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，移動(dòng)站實(shí)地所在位置的坐標(biāo)作為修正點(diǎn)，電子手簿屏幕上的圖形顯示出實(shí)地待定點(diǎn)相對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)所偏移的距離，按照指示移動(dòng)移動(dòng)站，直到滿足所要求的精度。

　　2.3 數(shù)字化地形圖測(cè)量

　　利用RTK 快速定位和實(shí)時(shí)得到坐標(biāo)結(jié)果的特點(diǎn)，在一定的測(cè)量環(huán)境中可以進(jìn)行地形測(cè)量。地形點(diǎn)的測(cè)量可以在數(shù)據(jù)采集的功能下進(jìn)行，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)量設(shè)定，采集完的地形點(diǎn)經(jīng)過成圖處理，生成數(shù)字化管道地形圖。地形點(diǎn)的采集可以單人作業(yè)，極大地節(jié)約了人力和時(shí)間。

　　3、RTK的誤差來源與受限因素分析

　　3.1 主要誤差來源

　　GPS RTK的誤差一般可分為三類：

　　(1)與GPS衛(wèi)星和RTK儀器有關(guān)的誤差：包括GPS衛(wèi)星軌道誤差、鐘誤差、RTK天線相位中心變化等。

　　(2)與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差：包括大氣延遲誤差(即電離層誤差)、對(duì)流層誤差、多路徑效應(yīng)誤差、信號(hào)干擾誤差等。

　　(3)與操作人員有關(guān)的誤差：包括基準(zhǔn)站誤差、轉(zhuǎn)換參數(shù)引起的誤差、基準(zhǔn)站與移動(dòng)站之間的距離、基準(zhǔn)站與移動(dòng)站操作人員(數(shù)據(jù)鏈)誤差等。

　　3.2 受限因素分析

　　3.2.1 受衛(wèi)星狀況限制

　　當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)位置對(duì)美國是最佳的時(shí)候，世界上有些國家在某一確定的時(shí)間段仍然不能很好地被衛(wèi)星所覆蓋，容易產(chǎn)生假值。另外，在高山峽谷深處、密集森林區(qū)或城市高樓密布區(qū)，衛(wèi)星信號(hào)被遮擋時(shí)間較長，使一天中可作業(yè)時(shí)間受限制。產(chǎn)生假值問題采用RTK 測(cè)量成果的質(zhì)量控制方法可以發(fā)現(xiàn)。作業(yè)時(shí)間受限制可由選擇作業(yè)時(shí)間或加密控制點(diǎn)等來解決。

　　3.2.2 空間環(huán)境影響

　　白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，常接受不到5 顆衛(wèi)星，因而初始化時(shí)間長甚至不能初始化，也就無法進(jìn)行測(cè)量。在某市郊區(qū)，我們做過試驗(yàn)，在同樣的條件和同樣的地點(diǎn)上進(jìn)行RTK 測(cè)量，上午11：00之前和下午3：30之后，RTK測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)而快，而中午時(shí)分，很難進(jìn)行RTK測(cè)量�？梢娺x擇作業(yè)時(shí)段的重要性。另外為了削弱電磁波輻射干擾作用，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離干擾源，如離無線臺(tái)發(fā)射塔200m外。

　　3.2.3 作業(yè)半徑比標(biāo)稱距離小的問題

　　RTK數(shù)據(jù)鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、高大建筑物和各種高頻信號(hào)源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴(yán)重，嚴(yán)重影響測(cè)量精度和作業(yè)半徑。在地形起伏高差較大的山區(qū)和城鎮(zhèn)密樓區(qū)數(shù)據(jù)鏈傳輸信號(hào)受到限制。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過一定距離(一般為幾公里，每種機(jī)型在不同的環(huán)境又各不相同)時(shí)，測(cè)量結(jié)果誤差超限，所以RTK 的實(shí)際作業(yè)有效半徑比其標(biāo)稱半徑要小很多，工程實(shí)踐和專門研究都證明了這一點(diǎn)。解決這類問題的有效辦法是把基準(zhǔn)站布設(shè)在測(cè)區(qū)中央的最高點(diǎn)上。

　　3.2.4 初始化能力和所需時(shí)間問題

　　在山區(qū)、一般林區(qū)、城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時(shí)，GPS 衛(wèi)星信號(hào)被阻擋機(jī)會(huì)較多。容易造成失鎖，采用RTK作業(yè)時(shí)有時(shí)需要經(jīng)常重新初始化。這樣測(cè)量的精度和效率都受影響。解決這類問題的辦法主要是選用初始化能力強(qiáng)、所需時(shí)間短的RTK機(jī)型。

　　3.2.5 高程異常問題

　　RTK作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確，但我國現(xiàn)有的高程異常圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)，存在較大誤差，在有些地區(qū)還是空白，這就使得將GPS大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得相當(dāng)困難，精度也不均勻。局部地區(qū)(特別是礦區(qū))受地球磁場(chǎng)的影響，還存在高程異常突變的問題。

　　4、RTK的局限性和精度保障

　　當(dāng)然RTK 也有其局限性，會(huì)影響到執(zhí)行上述測(cè)量任務(wù)的能力。了解其局限性可確保RTK測(cè)量成功。

　　最主要的局限性其實(shí)不在于RTK 本身，而是源于整個(gè)GPS 系統(tǒng)。如前所述，GPS 依靠的是接收兩萬多公里高空的衛(wèi)星發(fā)射來的無線電信號(hào)。相對(duì)而言，這些信號(hào)頻率高、信號(hào)弱，不易穿透可能阻擋衛(wèi)星和GPS接收機(jī)之間視線的障礙物。事實(shí)上，存在于GPS接收機(jī)和衛(wèi)星之間路徑上的任何物體都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的操作產(chǎn)生不良影響。有些物體如房屋，會(huì)完全屏蔽衛(wèi)星信號(hào)。因此, GPS不能在室內(nèi)使用。同樣原因, GPS也不能在隧道內(nèi)或水下使用。有些物體如樹木會(huì)部分阻擋、反射或折射信號(hào)。GPS信號(hào)的接收在樹林茂密的地區(qū)會(huì)很差。樹林中有時(shí)會(huì)有足夠的信號(hào)來計(jì)算概略位置，但信號(hào)清晰度難以達(dá)到厘米水平的精確定位。因此，RTK在林區(qū)作業(yè)有一定的局限性。這并不是說，GPS RTK只適用于四周對(duì)空開闊的地區(qū)。RTK測(cè)量在部分障礙的地區(qū)也可以是有效而精確的。其奧秘是能觀測(cè)到足夠的衛(wèi)星來精確可靠地實(shí)現(xiàn)定位。在任何時(shí)間、任何地區(qū)，都可能會(huì)有7 到10 顆GPS衛(wèi)星可用于RTK測(cè)量。RTK系統(tǒng)的工作并不需要這么多顆衛(wèi)星。如果天空中有5顆適當(dāng)分布的衛(wèi)星，就可作精確可靠的定位。有部分障礙的地點(diǎn)只要可以觀測(cè)到至少5顆衛(wèi)星，就有可能做RTK測(cè)量。

　　5、提高RTK測(cè)量成果質(zhì)量的措施

　　(1)已知點(diǎn)檢核比較法。在布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)用靜態(tài)GPS或全站儀多測(cè)出一些控制點(diǎn)，然后用RTK 測(cè)出這些控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核，發(fā)現(xiàn)問題即采取措施改正。

　　(2)重測(cè)比較法。每次初始化成功后，先重測(cè)l～2個(gè)已測(cè)過的RTK點(diǎn)或高精度控制點(diǎn)，確認(rèn)無誤后才進(jìn)行RTK測(cè)量。

　　(3)電臺(tái)變頻實(shí)時(shí)檢測(cè)法。在測(cè)區(qū)內(nèi)建立2 個(gè)以上基準(zhǔn)站，每個(gè)基準(zhǔn)站采用不同的頻率發(fā)送改正數(shù)據(jù)，移動(dòng)站用變頻開關(guān)選擇性地分別接收每個(gè)基準(zhǔn)站的改正數(shù)據(jù)從而得到2 個(gè)以上解算結(jié)果，比較這些結(jié)果就可判斷其質(zhì)量高低。

　　6、結(jié)束語

　　目前，GPS RTK技術(shù)已經(jīng)滲入到國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，并且正在發(fā)揮著越來越重要的作用。雖然RTK的系統(tǒng)是現(xiàn)代測(cè)量的最新成果，但它應(yīng)有不足之處，了解了RTK 的局限性，使我們知道了對(duì)于一些測(cè)量RTK也是受到限制的。本文就RTK在公路工程測(cè)量應(yīng)用方面的技術(shù)問題進(jìn)行了闡述，希望對(duì)正在進(jìn)行這項(xiàng)工作的一線技術(shù)人員有所幫助。

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