使用RTK测量的体会

卢干斌
（广西第二测绘院 广西柳州 545006）

【摘　要】　RTK测量技术时下风靡全国，其测量模式和测量速度、精度比传统的测量方式有了很大的变革，本文是根据生产实践中对GPS RTK技术在测量中的应用的优劣作简要分析。总结相关工作经验供大家分享。
【关键词】　RTK技术 体会

　　1 RTK原理
　　RTK（Real-Time-Kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算进行数据处理，在1～2秒的时间里得到高精度位置信息的技术。RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站以精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。精密GPS定位都采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理（RTK），还是从基准站将改正值及时地传输给流动站（DGPS）都称为相对技术。以采用值的类型为依据可分为4类：
　　1.1 实时差分GPS，精度1-3米
　　1.2 广域实时差分GPS，精度1-2米
　　1.3 精密时差分GPS，精度1-5厘米
　　1.4 实时精密时差分GPS，精度1-3厘米
　　差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类，前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低。故RTK采用第三种方法。
　　RTK的观测模型为：
　　
　　其中：
　　Φ——为相位测量值，单位为m；
　　ρ——为星站间的几何距离；
　　c——为光速；
　　dT——接收机钟差；
　　dt——卫星钟差；
　　λ——为载波相位波长；
　　N——为整周未知数；
　　dtrop——为对流层折射影响；
　　dion——为电离层折射影响；
　　dpral——为相对论效应；
　　ε（Φ）——为观测噪声。
　　因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射影响难于精确模型化，所以实际的数据处理中常用双差观测值方程来解算，在定位前需先确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。实现OTF的方法有很多种，美国天宝导航有限公司的做法是：采用伪距和相位相结合的方法。首先用伪距求出整周未知数的搜索范围，再用L1和L2相位组合和后继观测历元解算和精化。利用伪距估计初始位置和搜索空间，快速定出精确的初始位置，作业距离半径达7km。GPS RTK技术系统配置包括以下三部分：1、基准站接收机；2、移动站接收机；3、数据链。通过数据链将基准站的载波相位修正值发送给移动站，改正移动站的接受到的载波相位，求解移动站的坐标。
　　2 RTK技术的测量速度
　　RTK技术的测量速度主要由初始化所需时间决定，初始化所需时间又由RTK技术差别（各种机型有不同的快速解算技术）、接收卫星的数量和质量、RTK数据链传输质量等因素决定。快速解算技术越先进，在一定的高度角下接收到的卫星数量越多、质量越好，RTK数据链传输质量越高，初始化所需时间就越短。在良好的环境条件下，RTK初始化所需时间一般为几十秒；不良环境条件下（尚满足RTK基本工作条件），技术先进的RTK也需要几分钟到十几分钟，其它机型RTK需要几十分钟甚至不能测量。作者试用的RTK仪器有：美国天宝5700、南方灵锐、中海达H600三种不同机型。美国天宝生产的双频RTK在良好的环境条件下，初始化所需时间为2-10秒，在不良环境条件下，仍能较顺利地进行RTK测量，主要是这种机型拥有先进的Z-跟踪专利技术、快速RTK技术。实验表明，即使测区内有一部分地方环境恶劣，其观测值点位中误差仍在±2.41cm以下。南方测绘的灵锐RTK的初始化时间小于60秒，一般为45秒，而最新的中海达H600的初始化为15秒左右，所以对于良好观测条件下，国产和进口的仪器差别并不是很明显。
　　3 RTK测量成果的质量控制
　　我们在地形图测绘运用表明，RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%， RTK比静态GPS还多出一些误差因素如数据链传输误差等。因此，和GPS静态测量相比，RTK测量更容易出错，必须进行质量控制。
　　质量控制的方法主要有：（1）已知点检核比较法——即在布设静态GPS一级或二级网用RTK测出这些控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。（2）重测比较法——每次初始化成功后，先重测1-2个已测过的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。以上方法中，我们常用的也是最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果。
　　4 RTK技术优点
　　4.1 作业效率高。就广西贵港市西江农场1：1000地形图测绘为例，该测区地势平坦开阔，我们投入天宝一台基准站，2台流动站共5个人，4天完成了16平方公里的图根测量，为测图及时提供了成果，为交资料嬴得了时间，（常规图根导线一个组四个人，约要一个月才能做完16平方公里），经我们这个测区的实践，在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完7～10km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率，和传统的全站仪采集相比，RTK是它的3到4倍的工作效率。
　　4.2 定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，（上空无遮盖物，仰角不大于15度，无电磁波干扰，无高压线等），在7～10km半径范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级，完全达到图根控制和地形图数据采集的精度要求。
　　4.3 降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，只要把基准站放在测区中心的楼顶或山头上，流动站可以在7KM的范围内采集，而传统测量由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，需要增加很多控制点，和需要多次的搬站，而RTK只要满足基本工作条件，它就能轻松地进行快速的高精度定位作业。
　　4.4 RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，流动站只需要一个人，地形图测绘时采取编码作业，内业自动成图，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作和人员投入极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。
　　4.5 操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。南方测绘灵锐、天宝5700在基准站架设、移动站操作、手簿软件的使用方面都比较简单易学，特别是采用了蓝牙技术更加方便操作。
　　5 RTK的不足及其解决办法
　　5.1 受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，虽然有时有固定解但是假值。另外，在高山峡谷深处及密集森林区，城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天有一段时间卫星数不够，不能正常使用对作业时间受限制，不过一般是一到两个小时。产生假值问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可选择作业时间来解决。
　　5.2 天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。在柳州郊区，我们做过测图时发现，在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量，上午11点之前和下午3：30分之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。
　　5.3 数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外，当RTK作业半径超过一定距离（一般为7公里，每种机型在不同的环境又各不相同）时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，工程实践和多次测图都证明了这一点。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。
　　5.4 初始化能力和所需时间问题。在山区、一般林区、城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。解决这类问题的办法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK机型，中海达仪器优于南方仪器。
　　5.5 高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。
　　5.6 精度和稳定性问题。RTK测量的精度和稳定性都不及全站仪，特别是稳定性方面，这是由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。不同质量的RTK系统，其精度和稳定性差别较大。要解决此类问题，首先要选用精度和稳定性都较好的高质量机种，然后，要在布控制点时多布置一些“多余”控制点，作为RTK测量成果质量控制的检核点。
　　6 RTK的优化布测方法
　　6.1 摸清仪器特性。通过在各种条件下反复试验，摸清仪器各种特性，如能否达到标称精度，在各种条件下的测量误差和作业半径，摸清仪器的稳定性和各种条件下的初始化能力及所耗时间等等，以便应用时得心应手。
　　6.2 布控制点。控制点主要布置在制高点上用来设置基准站，以利于接收卫星信号和数据链信号，控制点间距离应小于RTK有效作业半径的2/3倍。为方便对RTK测量成果进行控制检核和避免出现作业盲点，应在测区内环境不良地区增设一些控制点。控制点的选点还要避免无线电干扰和多路径效应，天宝5700、中海达H600有抑制多路径效应的技术，对于无线电和环境不良区域有相关的技术处理。
　　7 结束语
　　7.1 RTK作业模式能进一步提高测量作业效率，降低了劳动强度，节省了测量费用，使测量变得更轻松容易。和静态GPS技术相比，RTK又前进了一大步，实现了质的飞跃。
　　7.2 RTK的关键技术是整周模糊度的快速解算和数据链的传送技术，这些技术的不同表现出各种机型功能质量高低的差异，RTK系统的质量越高，其初始化能力越强，受环境的限制越小，所需时间越短，精度越高，作业半径越大，因而效率也就越高。
　　7.3 RTK实际作业时的关键问题是“选择”，包括选择机型，选择基准站控制点和作业时段，选择卫星高度角和数据链频率。
　　7.4 GPS RTK技术的强大功能与潜力尚未充分挖掘，与GIS集成、实时控制、综合自动化作业是其未来的发展方向，随着科技的不断进步，精度更高，初始化速度更快，环境限制性更小，抗干扰性更强的RTK系统将会很快出现。RTK在实际测量过程中有很多优越的方面，同时也有些技术限制，只有了解了它的劣势所在，才能避其利害，把有益于实际生产的技术带到工程应用中来。
　　7.5 各测绘单位应该充分利用RTK的优势，5＂控制点采用静态GPS，不需再做8＂控制点，然后利用RTK直接做图根测量，测图可以配合全站仪，采用这种方法工作效率会是原来的3倍以上，也减少了成本。

【参考文献】
[1] 国标.全球定位系统（GPS）测量规范，2001
[2] 卢干斌等.贵港市西江农场1：1000数字化地形图测绘技术设计书，广西第二测绘院，2007
[3] 李丽等.GPS RTK测量成果的质量控制方法.本溪冶金高等专科学校学报，1999
[4] 马永来等.RTK测高试验与精度分析.人民黄河，1999
[5] 徐绍铨等.GPS测量原理及应用.武汉，武汉测绘科技大学出版社，1998