【摘　要】　本文論述了GPS RTK技術應用中的關鍵問題，可供RTK應用者參考。

【關鍵詞】　RTK技術 測量精度 誤差分析 生態(tài)環(huán)境

　　1、RTK技術

　　差分GPS定位技術是一種高效的定位技術，它是利用2臺以上GPS接收機同時接收衛(wèi)星信號，其中一臺安置在已知坐標點上作為基準站，另一臺用來測定未知點的坐標——稱移動站，基準站根據(jù)該點的準確坐標求出其到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并將這一改正數(shù)發(fā)給移動站，移動站根據(jù)這一改正數(shù)來改正其定位結果，從而大大提高定位精度。 RTK（Real Time Kinematic）技術是載波相位差分技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法，它又分為修正法和差分法，修正法是將基準站的載波相位修正值發(fā)送給移動站，改正移動站的接受到的載波相位，再解求坐標，也稱準RTK。差分法是將基準站采集到的載波相位發(fā)送給移動站，進行求差解算坐標，也稱真正的RTK。

　　　　　　　RTK工作原理及模式

　　RTK的關鍵技術主要是初始整周模糊度的快速解算，數(shù)據(jù)鏈的優(yōu)質完成—實現(xiàn)高波特率數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院蛷娍垢蓴_性。

　　2、RTK正常工作的基本條件：

　　2.1　基準站和移動站同時接收到5顆以上GPS衛(wèi)星信號。

　　2.2　基準站和移動站同時接收到衛(wèi)星信號和基準站發(fā)出的差分信號。

　　2.3　基準站和移動站要連續(xù)接收GPS衛(wèi)星信號和基準站發(fā)出的差分信號。即移動站遷站過程中不能關機，不能失鎖。否則RTK須重新初始化。

　　3、RTK的精度

　　RTK技術采用求差法降低了載波相位測量改正后的的殘余誤差及接收機鐘差和衛(wèi)星改正后的殘余誤差等因素的影響，使測量精度達到厘米級，一般系統(tǒng)標稱精度為1CM+2PPM。工程實踐和研究均證明RTK能達到厘米級精度

　　3.1　RTK的平面精度：通過對徠卡350RTK的研究表明：A、數(shù)據(jù)鏈信號接收半徑超過15公里，但RTK測量結果只在4公里的范圍內(nèi)保持了較高精度（用全站儀檢查其中誤差在5CM 以內(nèi)），4公里以外的測量結果誤差明顯增大，測量結果不可靠。B、 接收到的衛(wèi)星數(shù)目越少，測量結果標準差越大，但只要能接收到5顆以上衛(wèi)星，得出的固定解就能達到儀器標稱精度。

　　3.2　RTK的測高精度：為檢驗Trimble4000SSE（OTF）（標稱精度為垂直20MM+2PPM），通過292個點的觀測誤差分析，得出

　　（1）高程觀測平均值為93.895M，標準差為8MM。最大值為93.921M，最小值為93.866M，有97%的數(shù)據(jù)中誤差小于20MM。即RTK的固定解能達到儀器標稱精度。

　　（2）當VDOP<2時，觀測結果最優(yōu)，當VDOP＞4時，標準差明顯增大，但仍優(yōu)于標稱精度，可見衛(wèi)星分布對高程精度有影響，但影響不大。

　　（3）當接收衛(wèi)星數(shù)目超過6顆時，標準差變化不顯著，當接收衛(wèi)星數(shù)目為5顆時，標準差明顯增大，但仍優(yōu)于標稱精度。

　　（4）可見，只要接收衛(wèi)星數(shù)目超過5顆，VDOP<4，能得出固定解，這種RTK就能達到測高標稱精度。

　　（5）北京一家公司在2000年對ASHTECH軌跡GPSRTK系統(tǒng)進行測試，結果表明，RTK測得的X、Y平面坐標同精確值之差的平均值為4-9MM；高程同精確值之差的平均值，邊長小于5KM時約13MM，邊長10KM時約37MM；距離同精確值之差的平均值為3MM；

　　4、RTK數(shù)據(jù)鏈的傳輸特性及RTK適用范圍

　　要使RTK連續(xù)快速地獲得固定解，就必須使RTK移動站連續(xù)、可靠、快速地接收到基準站發(fā)來的數(shù)據(jù)鏈信號，數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)母呖煽啃院蛷娍垢蓴_性主要受地形地勢的影響。目前，RTK系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸多采用超高頻（JHP）和高頻（HF）播發(fā)差分信號，這三種頻率的特點如表1所示。

表1 　　　三種頻率信號的特點

　　[1]采用30W電臺


　　目前，在國際測繪領域的RTK應用中，無論單頻和雙頻RTK系統(tǒng)，都采用UHF電臺播發(fā)差分信號。UHF是超短波，若基準站的發(fā)射天線和流動站的接收天線均沒有足夠的高度，超短波沿地球表面繞射傳播，這樣，電磁波在傳播過程中不斷被地面吸收而迅速衰減，嚴重地限制了RTK的有效工作半徑；若基準站的發(fā)射天線和流動站的接收天線均有一定的高度且在直視距離內(nèi)，超短波將以直線波和地面反射波組成的相干傳播方式傳播，使RTK的有效工作半徑大大增強，一般可達15KM ，最大可達40多KM，但是，如果基準站的發(fā)射天線和流動站的接收天線由于障礙物阻隔不在直視距離內(nèi)時，情況就較為復雜，在城鎮(zhèn)的密樓區(qū)，基準站的發(fā)射天線和流動站的接收天線在不能直接通視時主要靠反射波取得改正數(shù)據(jù)，這樣，RTK的有效作業(yè)半徑就會很小，有時只有幾百米。在野外，如果障礙物是樹林等電磁波可以有效穿透的物體時，數(shù)據(jù)鏈可正常傳輸；如果障礙物是較低的山體，流動站的接收天線可能接收到從障礙山體繞射過來的電磁波和從旁邊較高山體反射過來的電磁波，這樣RTK能正常工作，實驗表明有時障礙山體后面的電磁波場強由于多路信號迭加而增強。如果障礙物是很高的山體，電磁波的繞射和反射性能不發(fā)揮作用，則RTK不能正常工作。因此，為了接收到基地站播發(fā)的差分信號要求基地站和移動站之間的天線必須滿足“電磁波通視”—即電磁波能從基準站通過直射、繞射和反射等傳播方式有效地到達移動站，這樣在平坦地區(qū)的幾公里范圍內(nèi)，一般都能順利進行RTK測量。但在其他地區(qū)如果數(shù)據(jù)鏈不能正常傳輸（即使能同時接收到5顆以上有效衛(wèi)星），則難以成功實施RTK測量。在這種條件下，進行RTK沒量時，可采取下列解決辦法：

　　（1）　把RTK的基準站布設在RTK有效測區(qū)中央最高的控制點上。

　　（2）　使用高增益天線及高靈敏度接收機。

　　（3）　提高基準站和流動站天線的架設高度， 流動站天線可采用長垂準桿架設以保證成果精度。

　　（4）　縮短各點到基地站的距離，使其能滿足“電磁波通視”，在地形、地物遮擋時，另增設中繼站。

　　但是，這些措施在外業(yè)時將增加很多困難，因此，采用RTK技術要求CM級定位精度時，一般都限定移動站至基地站的距離為幾公里。
　　5、RTK的誤差特性及控制方法

　　5．1　RTK定位的誤差，一般分為兩類：

　　（1）　同儀器和干擾有關的誤差：包括天線相位中心變化、多徑誤差、信號干擾和氣象因素。

　　（2）　同距離有關的誤差：包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。

對固定基地站而言，同儀器和干擾有關的誤差可通過各種校正方法予以削弱，同距離有關的誤差將隨移動站至基地站的距離的增加而加大，所以RTK的有效作業(yè)半徑是非常有限的（一般為幾公里）。

　　5．2　同儀器和干擾有關的誤差

　　（1）　天線相位中心變化
　　天線的機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。天線相位中心的變化，可使點位坐標的誤差一般達到3-5CM。因此，若要提高RTK定位精度，必須進行天線檢驗校正，檢驗方法分為實驗室內(nèi)的絕對檢驗法和野外檢驗法。

　　（2）　多路徑誤差

4　RTK作業(yè)自動化、集成化程度高，測繪功能強大。RTK可勝任各種測繪內(nèi)、外業(yè)。流動站利用內(nèi)裝式軟件控制系統(tǒng)，無需人工干預便可自動實現(xiàn)多種測繪功能，使輔助測量工作極大減少，減少人為誤差，保證了作業(yè)精度。

　　8．5　操作簡便，容易使用，數(shù)據(jù)處理能力強。只要在設站時進行簡單的設置，就可以邊走邊獲得測量結果坐標或進行坐標放樣。數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、轉換和輸出能力強，能方便快捷地與計算機、其他測量儀器通信。

　　9、RTK的不足及其解決辦法：

　　9．1　受衛(wèi)星狀況限制。當衛(wèi)星系統(tǒng)位置對美國是最佳的時候，世界上有些國家在某一確定的時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，在高山峽谷深處及密集森林區(qū)，城市高樓密布區(qū)，衛(wèi)星信號被遮擋時間較長，使一天中可作業(yè)時間受限制。產(chǎn)生假值問題采用RTK測量成果的質量控制方法可以發(fā)現(xiàn)。作業(yè)時間受限制可由選擇作業(yè)時間來解決。

       9．2　天空環(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，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。在南寧郊區(qū)，我們做過試驗，在同樣的條件和同樣的地點上進行RTK測量，上午11點之前和下午3：30分之后，RTK測量結果準而快，而中午時分，很難進行RTK測量。可見選擇作業(yè)時段的重要性。

　　9．3　數(shù)據(jù)鏈傳輸受干擾和限制、作業(yè)半徑比標稱距離小的問題。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源的干擾，在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業(yè)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)鏈傳輸信號受到限制，另外，當RTK作業(yè)半徑超過一定距離（一般為幾公里，每種機型在不同的環(huán)境又各不相同）時，測量結果誤差超限，所以RTK的實際作業(yè)有效半徑比其標稱半徑要小很多，工程實踐和專門研究都證明了這一點。解決這類問題的有效辦法是把基準站布設在測區(qū)中央的最高點上。

　　9．4　初始化能力和所需時間問題。在山區(qū)，一般林區(qū)，城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時，GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會較多，容易造成失鎖，采用RTK作業(yè)時有時需要經(jīng)常重新初始化。這樣測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、所需時間短的RTK機型，如擁有先進技術的ASHTECH Z-X雙頻RTK測量系統(tǒng)，它能夠在困難條件下快速初始化而獲得厘米級精度。

　　9．5　高程異常問題。RTK作業(yè)模式要求高程的轉換必須精確，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大地高程轉換至海拔高程的工作變得相當困難，精度也不均勻。 

　　9．6　電量不足問題。RTK耗電量較大，需要多個大容量電池、電瓶才能保證連續(xù)作業(yè)，在電力供應缺乏的偏遠作業(yè)區(qū)受到限制。

　　9．7　精度和穩(wěn)定性問題。RTK測量的精度和穩(wěn)定性都不及全站儀，特別是穩(wěn)定性方面，這是由于RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故。不同質量的RTK系統(tǒng)，其精度和穩(wěn)定性差別較大。要解決此類問題，首先要選用精度和穩(wěn)定性都較好的高質量機種，然后，要在布控制點時多布置一些“多余”控制點，作為RTK測量成果質量控制的檢核點。

　　10、RTK的優(yōu)化布測方法

　　10．1　摸清儀器特性。通過在各種條件下反復試驗，摸清儀器各種特性，如能否達到標稱精度，在各種條件下的測量誤差和作業(yè)半徑，摸清儀器的穩(wěn)定性和各種條件下的初始化能力及所耗時間等等。以便應用時得心應手。

　　10．2　布控制點。控制點主要布置在制高點上用來設置基準站，以利于接收衛(wèi)星信號和數(shù)據(jù)鏈信號，控制點間距離應小于RTK有效作業(yè)半徑的2/3倍。為方便對RTK測量成果進行控制檢核和避免出現(xiàn)作業(yè)盲點，應在測區(qū)內(nèi)環(huán)境不良地區(qū)增設一些控制點。控制點的選點還要避免無線電干擾和多路徑效應， 

　　10．3　目標點施測。

　　10．3．1　第一個觀測點應是控制點或已知坐標點，以檢核第一個RTK測量結果是否精確。實踐表明，開始RTK測量的第一個成果檢核很重要，如果忽略了這一步，可能造成整天的測量成果作廢。它可以發(fā)現(xiàn)很多問題，如輸入的控制點坐標、坐標系統(tǒng)、設置參數(shù)有誤，衛(wèi)星狀況不佳，太陽黑子爆發(fā)。

　　10．3．2　第一個觀測點如果找不到已知坐標點，則應該在基準站附近施測得出第一個固定解成果，用羅盤儀和距離反算法檢核成果精度和可靠性。

　　10．3．3　在整個測量過程中都要注意質量控制檢驗，方法如上所述，還可利用原有大比例尺地圖，檢驗其山頂點的高程，圈出未能進行RTK測量的盲點。

　　10．3．4　解決盲點。如果盲點地區(qū)至盲的主要原因是數(shù)據(jù)鏈信號接收問題，首先可提高基準站和流動站天線的架設高度， 流動站天線可采用長垂準桿架設以保證成果精度。若不行再考慮搬站；如果盲點地區(qū)至盲的主要原因是接收衛(wèi)星狀況不良，則應該在盲點周圍加測根控制點，以便用全站儀補測。

　　10．3．5　選擇作業(yè)時段。一般中午時分不易進行RTK測量，或者測量效率很低，所以要早出工，晚收工，利用良好時段進行RTK測量，不僅效率快，而且精度高。

　　11、在生態(tài)環(huán)境建設方面的應用

　　生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和建設往往碰到地形復雜，區(qū)域面積較大，定位困難等難題，利用以往傳統(tǒng)定位方法需多次搬站，操作過程復雜，適應性差，利用RTK技術可使這類問題得到很好地解決。

　　11．1　生態(tài)環(huán)境建設規(guī)劃方面：利用RTK所測出的三維數(shù)字地形圖建立規(guī)劃信息系統(tǒng)（GIS），直接在計算機上設計，精度非常高，既可節(jié)省人財物力，又可提高設計質量，還可作出資源信息統(tǒng)計和智能化分析，作出后續(xù)管理。

　　11．2　在劃定地類界方面。在自然保護區(qū)建設管理。森林分類經(jīng)營。天然林保護。退耕還林還草等生態(tài)工程的調查，規(guī)劃設計，監(jiān)督施工，監(jiān)測和預測過程中，都可以利用RTK技術進行高效、快速、精確地劃定各種地類界。

　　11．3　工程應用。在完成水土保持和生態(tài)工程的施工放樣。施工監(jiān)理和施工驗收工作時，利用RTK技術比傳統(tǒng)方法提高工效2倍以上。

　　12、結語
　　實踐證明：（1）GPS　RTK作業(yè)模式，能進一步提高測量作業(yè)效率，降低了勞動強度，節(jié)省了測量費用，使測量變得更輕松容易。和靜態(tài)GPS技術相比，RTK又前進了一大步，實現(xiàn)了質的飛躍。（2）RTK的關鍵技術是整周模糊度的快速解算和數(shù)據(jù)鏈的傳送技術，這些技術的不同表現(xiàn)出各種機型功能質量高低的差異，RTK系統(tǒng)的質量越高，其初始化能力越強，受環(huán)境的限制越小，所需時間越短；精度越高；作業(yè)半徑越大，因而效率也就越高。（3）RTK實際作業(yè)時的關鍵問題是“選擇”，包括選擇機型，選擇基準站控制點和作業(yè)時段，選擇衛(wèi)星高度角和數(shù)據(jù)鏈頻率。（4）GPS RTK技術的強大功能與潛力尚未充分挖掘，與GIS集成、實時控制、綜合自動化作業(yè)是其未來的發(fā)展方向，隨著科技的不斷進步，精度更高，初始化速度更快，環(huán)境限制性更小，抗干擾性更強的RTK系統(tǒng)將會很快出現(xiàn)。RTK在生態(tài)環(huán)境建設方面的應用就將更廣泛。

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