動態(tài)gps(rtk)測量的精度和可靠性分析

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

2、;<p><b>　　1引言 </b></p><p>　　動態(tài)GPS(RTK)定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。GPS定位在測量中有很大的應(yīng)用潛力，尤其是近幾年動態(tài)GPS（RTK）的廣泛應(yīng)用，使測量工作的觀測時間縮短，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，動態(tài)GPS(RTK)測量沒有靜態(tài)GPS測量的同步環(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精度。因此，動態(tài)GPS(RTK)測量在實(shí)際生產(chǎn)中的精度和可靠性成為測量工作者關(guān)注的重點(diǎn)。 </p><p>　　2 動態(tài)GPS（RTK）測量精度的影響因素 </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，至少需要有5個共同星。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)星均勻分布在整個天空時，成果將更好?？捎眯菙?shù)越多，衛(wèi)星圖形就會更好。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)星信號到達(dá)GPS接收機(jī)之前，要穿過對流層和電離層，兩者均影響信號傳播。在正常條件下，當(dāng)點(diǎn)間距離較短時，對流層和電離層的影響能夠模擬，其殘差可通過觀測值的差分處理，予以削弱或消除。 </p><p>　?。?）基線長度。 RTK測量的基線長度同軌道誤差和大氣影響密切相關(guān)。基線越長，電離層和對流層的誤差越大，所測結(jié)果的誤差也越大?；€更

6、長時，數(shù)據(jù)鏈信號變得更弱，從而需要更長的初始化時間，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)將評價RTK系統(tǒng)的主要因子簡述如下。 </p><p>　　（1）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：移動站的數(shù)量

7、沒有限制，購買到收、發(fā)電臺后，就沒有其它費(fèi)用。但無線電信號傳播的距離受到地形、地物的制約。弱信號或受干擾的信號將使解算模糊值和保持模糊值不變增加很多困難。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)境及基地站至移動站之間的障礙物對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，采用無線電數(shù)據(jù)鏈。當(dāng)移

8、動站位于無線電信號之外時，則用GSM建立基地站和移動站之間的聯(lián)系。 </p><p>　?。?）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)基地站和移動站都使用同一類型的天線時，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，基地站和移動站之間使用不同類型的天線時，在不理想的環(huán)境下將導(dǎo)致觀測結(jié)果精度降低，甚至無法解算模糊

9、值。 </p><p>　?。?）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，各種軟件處理的時延也大不相同,控制觀測值質(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的傳播。為了使無線電信號具有最大的覆蓋范圍，數(shù)據(jù)鏈發(fā)射臺應(yīng)設(shè)在制高點(diǎn)上；基地站和移動站之間的障礙物具有兩種影響

10、。一方面它使無線電信號中斷，導(dǎo)致移動站的模糊值丟失。另一方面，這些障礙物能反射無線電信號，將使信號傳播得更遠(yuǎn)，基線也能更長；地面建筑物和樹木等遮擋，將影響到衛(wèi)星的可見性。當(dāng)測點(diǎn)靠近房屋或樹林時，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，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中斷，甚至衛(wèi)星失鎖。輸電線、蜂窗電話、電站、電臺、

11、電視發(fā)射臺、雷達(dá)站等都會產(chǎn)生這種電波干擾。 </p><p><b>　　2.4觀測方案 </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)的精度決不會超過基地站。當(dāng)然，如果只考慮相對坐標(biāo)，則基準(zhǔn)點(diǎn)的質(zhì)量就無關(guān)緊要，當(dāng)基線增長時，將出現(xiàn)尺度比誤差。 </p><p>　?。?）一個基地站或基地站網(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間，二是提高移動站的精度，三是移動站坐標(biāo)的精度同基線長度的關(guān)系不大。因此，基線長度比只有一個基地站時大得多。 </p><p>　?。?）坐標(biāo)系的選擇。坐標(biāo)系的選擇對所測成果的精度影響很大。GPS采用WGS-84坐標(biāo)系，而且全部計算都在此坐標(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>　?。?）歷元數(shù)。存入的坐標(biāo)既可以是觀測一個歷元的結(jié)果，也可以是幾個歷元的平均值。對于純動態(tài)測量，例如探測位移或軌跡測量而言，只能選擇一個歷元。然而，對于地形測量而言，則可取幾個歷元的平均值，從而消除偶然噪聲。 </p><p>　?。?）重復(fù)測量。對整個測量進(jìn)行全部檢查的唯一方法是實(shí)施獨(dú)立的重復(fù)測量，即采用不同的模糊值。實(shí)踐證明：為了探測出錯

14、誤觀測值，重復(fù)測量是很有用的。 </p><p>　　2．5觀測者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。RTK實(shí)踐證明，觀測者的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)對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：同測站有關(guān)的誤差包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號干擾和氣象因素；同距離有關(guān)的誤差包括軌道誤差、電離

15、層誤差和對流層誤差。 </p><p>　　3.2同測站有關(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)的絕對檢驗(yàn)法。有WuBBENA等人提出的天線相位中心絕對檢驗(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RTK的移動站是個嚴(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：在測站周圍100-500m范圍內(nèi)的UHF,VHF,TV和BP機(jī)發(fā)射臺。無線電愛好

18、者的定向發(fā)射臺。用于航空導(dǎo)航的雷達(dá)裝置。在選點(diǎn)時使用儀表測試的方法也可削弱這些影響。氣象因素，在天氣急劇變化時不宜進(jìn)行RTK測量。 </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>　?。?）軌道誤差。目前，軌道誤差只有幾米，其殘余

19、的相對誤差影響約為1ppm，就短基線（10km）而言，對結(jié)果的影響可忽略不計。但是，對20-30km的基線則可達(dá)到幾厘米。 </p><p>　?。?）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的觀測值進(jìn)行線性組合來消除電離層的影響。電離層對碼觀測值和載波相位觀測值的影響數(shù)值相同、符號相反。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)的測程由20km急劇擴(kuò)大到300km。電離層對定位的影響，隨時間（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>　　（3）對流層誤差。對流層誤差同點(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級精度，要求對測站有關(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)鏈電臺多為美國PCC公司35W（基地站）和2W（移動站）電臺。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩山頂之間能通視、

21、距離為47km時，也可收到差分信號。但是，移動站在城鎮(zhèn)區(qū)作業(yè)時，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。因此，國際上將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)通視的放樣測量。 </p><p><b>　　4結(jié)束語 </b></p><p>　　本文就動態(tài)GPS(RTK)進(jìn)行測量時GPS系統(tǒng)、RTK系統(tǒng)、作業(yè)環(huán)境、觀測方案、觀測者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等5