動(dòng)態(tài)gps(rtk)測(cè)量的精度和可靠性分析

1、<p>　　動(dòng)態(tài)GPS(RTK)測(cè)量的精度和可靠性分析</p><p>　　摘要：本文闡述了動(dòng)態(tài)GPS(RTK)測(cè)量技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的各種誤差來源，對(duì)測(cè)量精度的影響因素及可靠性分析，可供RTK測(cè)量作業(yè)時(shí)參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：RTK測(cè)量精度可靠性分析 </p><p>　　中圖分類號(hào)：O4-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p>

2、;<p><b>　　1引言 </b></p><p>　　動(dòng)態(tài)GPS(RTK)定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。GPS定位在測(cè)量中有很大的應(yīng)用潛力，尤其是近幾年動(dòng)態(tài)GPS（RTK）的廣泛應(yīng)用，使測(cè)量工作的觀測(cè)時(shí)間縮短，人員投入減少，降低了成本，并且不受網(wǎng)形和通視等條件的影響，提高了外業(yè)工作效率

3、。但是，動(dòng)態(tài)GPS(RTK)測(cè)量沒有靜態(tài)GPS測(cè)量的同步環(huán)、異步環(huán)及附合路線等約束條件，它是以基準(zhǔn)站為中心呈放射狀，以支點(diǎn)形式分布的散點(diǎn)，從而無法直接衡量其觀測(cè)精度。因此，動(dòng)態(tài)GPS(RTK)測(cè)量在實(shí)際生產(chǎn)中的精度和可靠性成為測(cè)量工作者關(guān)注的重點(diǎn)。 </p><p>　　2 動(dòng)態(tài)GPS（RTK）測(cè)量精度的影響因素 </p><p>　　2.1GPS系統(tǒng)的影響。GPS系統(tǒng)本身有其固有因素，用

4、戶無法控制，但必須考慮以下這些因素。 </p><p>　?。?）星數(shù)。 在OTF解算未知的模糊值時(shí)，至少需要有5個(gè)共同星。星數(shù)越多，解算模糊值的速度越快、越可靠。 </p><p>　?。?）衛(wèi)星圖形。當(dāng)衛(wèi)星均勻分布在整個(gè)天空時(shí)，成果將更好?？捎眯菙?shù)越多，衛(wèi)星圖形就會(huì)更好。目前，衛(wèi)星分布的優(yōu)劣常用PDOP（點(diǎn)位精度衰減因子）值來衡量，PDOP值小則好，PDOP值大則差。在RTK中，PDO

5、P值不宜大于6. </p><p>　?。?）大氣狀況。衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)之前，要穿過對(duì)流層和電離層，兩者均影響信號(hào)傳播。在正常條件下，當(dāng)點(diǎn)間距離較短時(shí)，對(duì)流層和電離層的影響能夠模擬，其殘差可通過觀測(cè)值的差分處理，予以削弱或消除。 </p><p>　?。?）基線長(zhǎng)度。 RTK測(cè)量的基線長(zhǎng)度同軌道誤差和大氣影響密切相關(guān)?；€越長(zhǎng)，電離層和對(duì)流層的誤差越大，所測(cè)結(jié)果的誤差也越大。基線更

6、長(zhǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)鏈信號(hào)變得更弱，從而需要更長(zhǎng)的初始化時(shí)間，而且解算結(jié)果也不可靠。 </p><p>　　2.2RTK系統(tǒng)。 RTK設(shè)備的優(yōu)劣不僅嚴(yán)重影響精度，而且也影響成果的可靠性?，F(xiàn)將評(píng)價(jià)RTK系統(tǒng)的主要因子簡(jiǎn)述如下。 </p><p>　?。?）數(shù)據(jù)鏈。目前大多數(shù)RTK都采用自備無線電數(shù)據(jù)鏈，但有少數(shù)廠家開始采用GSM電話，兩者都將影響觀測(cè)值。各有其優(yōu)缺點(diǎn)。無線電數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)點(diǎn)是：移動(dòng)站的數(shù)量

7、沒有限制，購(gòu)買到收、發(fā)電臺(tái)后，就沒有其它費(fèi)用。但無線電信號(hào)傳播的距離受到地形、地物的制約。弱信號(hào)或受干擾的信號(hào)將使解算模糊值和保持模糊值不變?cè)黾雍芏嗬щy。用GSM電話建立數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)據(jù)鏈的質(zhì)量同距離無關(guān)。環(huán)境及基地站至移動(dòng)站之間的障礙物對(duì)GSM數(shù)據(jù)鏈沒有影響。GSM數(shù)據(jù)鏈的缺點(diǎn)是；用戶要承受電話費(fèi)；同一個(gè)基地站連接的用戶數(shù)量受到限制；完全受GSM覆蓋范圍的制約。將無線電和GSM相結(jié)合，也能進(jìn)行RTK?？赡軙r(shí)，采用無線電數(shù)據(jù)鏈。當(dāng)移

8、動(dòng)站位于無線電信號(hào)之外時(shí)，則用GSM建立基地站和移動(dòng)站之間的聯(lián)系。 </p><p>　　（2）天線類型。GPS天線存在兩種誤差：一是物理相位中心之間的偏差，二是相位中心變化（PCV）。當(dāng)基地站和移動(dòng)站都使用同一類型的天線時(shí)，此偏差和PCV可基本消除。否則PCV能在幾毫米和幾厘米之間變化，而且相位中心的偏差可到幾分米，基地站和移動(dòng)站之間使用不同類型的天線時(shí)，在不理想的環(huán)境下將導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果精度降低，甚至無法解算模糊

9、值。 </p><p>　　（3）軟件。 各種RTK系統(tǒng)都使用自己的軟件處理數(shù)據(jù)。不同軟件采用不同算法。在解算模糊值的可靠性方面，各種算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。 此外，各種軟件處理的時(shí)延也大不相同,控制觀測(cè)值質(zhì)量的方法也不同。 </p><p>　　2.3 環(huán)境。地形的起伏將影響無線電信號(hào)的傳播。為了使無線電信號(hào)具有最大的覆蓋范圍，數(shù)據(jù)鏈發(fā)射臺(tái)應(yīng)設(shè)在制高點(diǎn)上；基地站和移動(dòng)站之間的障礙物具有兩種影響

10、。一方面它使無線電信號(hào)中斷，導(dǎo)致移動(dòng)站的模糊值丟失。另一方面，這些障礙物能反射無線電信號(hào)，將使信號(hào)傳播得更遠(yuǎn)，基線也能更長(zhǎng)；地面建筑物和樹木等遮擋，將影響到衛(wèi)星的可見性。當(dāng)測(cè)點(diǎn)靠近房屋或樹林時(shí)，共同星數(shù)將急劇下降，衛(wèi)星圖形也將變壞；當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)受天線附近的地形地物影響、經(jīng)一次或多次反射后到達(dá)天線時(shí)，將產(chǎn)生多徑誤差。多徑效應(yīng)通過仔細(xì)選擇天線點(diǎn)位來避免，特別是基地站的點(diǎn)位；電波干擾能夠引起信號(hào)中斷，甚至衛(wèi)星失鎖。輸電線、蜂窗電話、電站、電臺(tái)、

11、電視發(fā)射臺(tái)、雷達(dá)站等都會(huì)產(chǎn)生這種電波干擾。 </p><p><b>　　2.4觀測(cè)方案 </b></p><p>　　(1)基地站的選擇。如果基地站的坐標(biāo)精度較差，則全部新點(diǎn)坐標(biāo)的精度決不會(huì)超過基地站。當(dāng)然，如果只考慮相對(duì)坐標(biāo)，則基準(zhǔn)點(diǎn)的質(zhì)量就無關(guān)緊要，當(dāng)基線增長(zhǎng)時(shí)，將出現(xiàn)尺度比誤差。 </p><p>　?。?）一個(gè)基地站或基地站網(wǎng)。目前，

12、有些地區(qū)已發(fā)展為多基地站構(gòu)成的常設(shè)基地站網(wǎng)。采用基地站網(wǎng)有三大優(yōu)點(diǎn)，一是減少模糊值初始化時(shí)間，二是提高移動(dòng)站的精度，三是移動(dòng)站坐標(biāo)的精度同基線長(zhǎng)度的關(guān)系不大。因此，基線長(zhǎng)度比只有一個(gè)基地站時(shí)大得多。 </p><p>　　（3）坐標(biāo)系的選擇。坐標(biāo)系的選擇對(duì)所測(cè)成果的精度影響很大。GPS采用WGS-84坐標(biāo)系，而且全部計(jì)算都在此坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行。因此處理后的首批結(jié)果是WGS-84坐標(biāo)。為了同地方坐標(biāo)的正高符合得更好，最

13、好采用三維坐標(biāo)的地方參數(shù)。 </p><p>　　（4）歷元數(shù)。存入的坐標(biāo)既可以是觀測(cè)一個(gè)歷元的結(jié)果，也可以是幾個(gè)歷元的平均值。對(duì)于純動(dòng)態(tài)測(cè)量，例如探測(cè)位移或軌跡測(cè)量而言，只能選擇一個(gè)歷元。然而，對(duì)于地形測(cè)量而言，則可取幾個(gè)歷元的平均值，從而消除偶然噪聲。 </p><p>　　（5）重復(fù)測(cè)量。對(duì)整個(gè)測(cè)量進(jìn)行全部檢查的唯一方法是實(shí)施獨(dú)立的重復(fù)測(cè)量，即采用不同的模糊值。實(shí)踐證明：為了探測(cè)出錯(cuò)

14、誤觀測(cè)值，重復(fù)測(cè)量是很有用的。 </p><p>　　2．5觀測(cè)者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。RTK實(shí)踐證明，觀測(cè)者的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)對(duì)成果的精度和可靠性有重大影響。 </p><p>　　3 RTK的誤差來源及解決措施 </p><p>　　3.1 RTK定位的誤差一般分為兩類：同測(cè)站有關(guān)的誤差包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號(hào)干擾和氣象因素；同距離有關(guān)的誤差包括軌道誤差、電離

15、層誤差和對(duì)流層誤差。 </p><p>　　3.2同測(cè)站有關(guān)的誤差 </p><p>　?。?）天線相位中心變化。天線的機(jī)械中心和電子相位中心一般不重合。而且電子相位中心是變化的，它取決于接收信號(hào)的頻率、方位角和高度角。天線檢驗(yàn)的方法分為二類：一是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的絕對(duì)檢驗(yàn)法。有WuBBENA等人提出的天線相位中心絕對(duì)檢驗(yàn)法，可達(dá)到1-3mm的精度。二是野外檢驗(yàn)法。目前研究出的野外精密檢驗(yàn)法是RO

16、THACHER法?；卣咀詈貌捎媒^對(duì)檢驗(yàn)法。但是，這兩種天線檢驗(yàn)法都比較復(fù)雜，外業(yè)人員都不愿意采用。 </p><p>　?。?）多徑誤差。多徑誤差取決于天線周圍的環(huán)境，誤差一般為5cm，高反射環(huán)境下可達(dá)19cm.多徑誤差的周期一般為5～20分鐘，這對(duì)RTK的移動(dòng)站是個(gè)嚴(yán)重問題。此外，L1和L2的相位中心的變幅可達(dá)6cm。多徑誤差可通過下列措施予以削弱：選擇地形開闊、沒有反射面的點(diǎn)位；采用具有削弱多徑誤差的各種技

17、術(shù)（例如：NCT,MET,MEDL，Pinwee···等）的天線；采用扼流圈天線；基地站附近鋪設(shè)吸收電波的材料；采用處理數(shù)據(jù)的新技術(shù)（但結(jié)果尚未被大家公認(rèn)）。 </p><p>　?。?）信號(hào)干擾。在基地站削弱無線電噪聲最有效的方法是連續(xù)監(jiān)測(cè)所有可見衛(wèi)星的周調(diào)和信噪比。為了削弱電磁波的輻射干擾，最好避開：在測(cè)站周圍100-500m范圍內(nèi)的UHF,VHF,TV和BP機(jī)發(fā)射臺(tái)。無線電愛好

18、者的定向發(fā)射臺(tái)。用于航空導(dǎo)航的雷達(dá)裝置。在選點(diǎn)時(shí)使用儀表測(cè)試的方法也可削弱這些影響。氣象因素，在天氣急劇變化時(shí)不宜進(jìn)行RTK測(cè)量。 </p><p>　　3.3同距離有關(guān)的誤差 </p><p>　　同距離有關(guān)的誤差的主要部分可通過多基地站技術(shù)來消除。但是，其殘余部分也隨著至基站距離的增大而加大。 </p><p>　　（1）軌道誤差。目前，軌道誤差只有幾米，其殘余

19、的相對(duì)誤差影響約為1ppm，就短基線（10km）而言，對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。但是，對(duì)20-30km的基線則可達(dá)到幾厘米。 </p><p>　　（2）電離層誤差。電離層誤差具有三大特性：擴(kuò)散性、互補(bǔ)性和瞬變性。雙頻接收機(jī)就是利用電離層的擴(kuò)散性，將L1和L2的觀測(cè)值進(jìn)行線性組合來消除電離層的影響。電離層對(duì)碼觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值的影響數(shù)值相同、符號(hào)相反。這就是電離層的互補(bǔ)性。CCD技術(shù)即利用此互補(bǔ)性，使單頻GPS

20、接收機(jī)的測(cè)程由20km急劇擴(kuò)大到300km。電離層對(duì)定位的影響，隨時(shí)間（每天、每月、每年）和地點(diǎn)而迅速變化，此即電離層的瞬變性。 </p><p>　?。?）對(duì)流層誤差。對(duì)流層誤差同點(diǎn)間距離和點(diǎn)間高差密切相關(guān)，一般可達(dá)3ppm。為了保證RTK達(dá)到cm級(jí)精度，要求對(duì)測(cè)站有關(guān)的誤差一起模擬。目前，常用的單、雙頻RTK系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)多為美國(guó)PCC公司35W（基地站）和2W（移動(dòng)站）電臺(tái)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩山頂之間能通視、

21、距離為47km時(shí)，也可收到差分信號(hào)。但是，移動(dòng)站在城鎮(zhèn)區(qū)作業(yè)時(shí)，如兩點(diǎn)之間有房屋遮擋，即使相距1km也很難收到差分信號(hào)。因此，國(guó)際上將RTK技術(shù)通常只用于幾公里范圍內(nèi)兩點(diǎn)之間準(zhǔn)光學(xué)通視的放樣測(cè)量。 </p><p><b>　　4結(jié)束語 </b></p><p>　　本文就動(dòng)態(tài)GPS(RTK)進(jìn)行測(cè)量時(shí)GPS系統(tǒng)、RTK系統(tǒng)、作業(yè)環(huán)境、觀測(cè)方案、觀測(cè)者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等5