GPS（RTK）平面定位技術

在城市地下管線測量中的應用分析

AnalysisontheapplicationofGPS（RTK）planepositioning

technologyinurbanundergroundpipelinemeasurement

深圳市大升高科技工程有限公司

Shenzhendashenghi-techengineeringco.,ltd.

GPS（RTK）平面定位技術是GPS定位技術最新發(fā)展技術，應用于城市地下管線測量中，其主要優(yōu)點有操作快捷、直觀、平面定位精度高、自動化程度高、誤差不累積等優(yōu)點，提高了地下管線測量質量、工作效率。本次我主要介紹GPS(RTK)平面定位技術應用于地下管線測量中的基本原理、系統(tǒng)組成、測量基本規(guī)定、誤差來源，并通過對GPS(RTK)在不同工作環(huán)境中的狀態(tài)和能達到的技術指標，尋找出適宜GPS（RTK）的地下管線測量工作環(huán)境及應注意的相關問題。

1GPS（RTK）工作原理

GPS是以人造衛(wèi)星組網(wǎng)為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)。利用設置在地面或運動載體上的專用接收機，接收衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號實現(xiàn)導航定位。RTK平面定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內組成差分觀測值進行實時處理。2GPS（RTK）系統(tǒng)組成2.1基準站部分，在一定的觀測時間內，一臺或幾臺接收機分別固定在一個或幾個測站上，一直保持跟蹤觀測衛(wèi)星，并提供差分坐標、星歷等信息。2.2差分傳送部分，將基準站差分數(shù)據(jù)傳輸給移動站，包括測站坐標、觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)等數(shù)據(jù)。2.3移動站部分，接收GPS信號及基準站差分信號，并進行解算，得到實時的高精度定位結果。2.4手簿終端控制器，內置RTK測量軟件，可設置基準站，移動站的工作參數(shù)，顯示運動中的移動站實時坐標成果、測量技術參數(shù)。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3.1坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)3.1.1GPS(RTK)在測量中應采用WGS84坐標系統(tǒng)。3.1.2城市地下管線測量中大多采用1954北京坐標系、1980西安坐標系或城市獨立坐標系，1985國家高程基準。GPS(RTK)測量時應進行坐標、高程轉換。坐標系統(tǒng)投影變形應不大于1/40000（即2.5cm/Km），工程另有比1/40000高的規(guī)定的，按高標準執(zhí)行。3.1.3當采用城市獨立坐標系時，應確定下列技術參數(shù)：1）坐標系采用的參考橢球體基本幾何參數(shù)。2）起始點坐標和起始方位角。3）中央子午線經(jīng)度值及縱、橫坐標加常數(shù)。4）投影面高程及測區(qū)平均高程異常。3.1.4GPS(RTK)測量時間系統(tǒng)采用協(xié)調世界時UTC。當采用北京標準時間時，應考慮時區(qū)差加以換算,北京時間為+8時區(qū)。3.2測量精度及基本技術要求3.2.1GPS(RTK)測量精度：平面

10mm+2ppm；高程

20mm+2ppm。流動站至參考站點間精度用下式表示：

標準差

=式中：

標準差

(mm)a固定誤差

(mm)b比例誤差系數(shù)

(mm/km)d流動站至參考站點間距離

(km)3.2.2GPS(RTK)測量距離GPS(RTK)測量距離根據(jù)GPS(RTK)數(shù)據(jù)鏈的傳播限制和定位精度要求確定，根據(jù)測區(qū)具體情況，可設置不同的發(fā)射天線高度和架設中繼站增長傳播距離，但在城市地下管理線測量中RTK測量距離一般不宜超過5km。數(shù)據(jù)傳輸距離和測站天線高度理論上的關系式為：

D=4.24×（

+）式中D為數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍的半徑，單位為公里（Km）；h1和h2分別是基

準站和流動站電臺的天線高，單位為米（m）。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3.2.4GPS(RTK)在地下管線測量中的具體技術質量要求:

GPS(RTK)在地下管線測量中的具體技術質量要求表

表3-13.3儀器設備3.3.1參考站的基本配置GPS雙頻RTK接收機，天線和天線電纜，電源，手持計算機控制或數(shù)據(jù)采集器(含實用軟件)，腳架、基座和連接器，儀器運輸箱等。內容限差內容限差衛(wèi)星高度角≥15oPDOP值≤6有效衛(wèi)星總數(shù)≥5RMS≤0.02m圖根控制點測量時間15～30s管線點測量時間5～10s測量圖根控制點時平面限差±15mm測量圖根控制點時高程限差±20mm測量管線點平面坐標時平面限差±50mm測量管線點平面坐標時高程限差±30mm3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3.3.2流動站的基本配置GPS雙頻RTK接收機，天線和天線電纜，流動站數(shù)據(jù)鏈電臺套件，手持計算機控制或數(shù)據(jù)采集器(含實用軟件)，手簿托架，流動桿，流動站背包(分體機需要)，儀器運輸箱等。3.3.3無線電數(shù)據(jù)鏈的基本配置：1）基準站發(fā)射電臺：一般為外置的獨立電臺。2）流動站接收電臺：一般為內置在GPS接收機內部。3）中繼站電臺：可以轉發(fā)接收站信號，既接收基準站發(fā)送的信號，又將接收信號發(fā)送出去，一般為外置的獨立電臺。3.4求解轉換參數(shù)3.4.1求解轉換參數(shù)：1)每個作業(yè)測區(qū)分別進行求解轉換參數(shù)。2)平面坐標轉換應用七參數(shù)或三參、四參數(shù)法，高程轉換應用擬合法。使用隨機軟件進行求解。3)轉換參數(shù)可根據(jù)測區(qū)控制點的兩套坐標求得?？刂泣c精度平面應在D級及以上，高程應在四等水準及以上，兩套坐標分別是WGS84大地坐標（B,L,H3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定

）或(X,Y,Z)，和平面坐標、正常高（x,y,h）。4)宜運用一個測區(qū)中的4-8個已知的GPS點進行平面和高程點進行求解，平面點不得少于3個，高程點不得少于4個，應包圍作業(yè)測區(qū)并均勻分布（見圖1）。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定5)相鄰測區(qū)求解轉換參數(shù)所用控制點應將相鄰區(qū)域內的控制點做為共用點使用。6)轉換參數(shù)求解可分內業(yè)求解和外業(yè)實測求解。在已知控制點兩套坐標不全時，可在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后計算轉換參數(shù)。測量平面或高程點時必須對應先求解轉換參數(shù)，殘差合格后方可進行測量。7)轉換參數(shù)殘差：平面坐標應小于±15mm，高程應小于±25mm。3.5基準站的系統(tǒng)設置3.5.1基準站點位選擇：基準站設置在作業(yè)測區(qū)內任一個已知控制點上，外業(yè)實測求解時可在測區(qū)內任選新點。在地形比較困難的測區(qū)，且不測設控制點時可將基準站設在帶有高程的導線點上，或者可用RTK進行一次轉點，轉點測量時須用支撐架設置流動站天線，測量時間應大于3分鐘或者采集三次數(shù)據(jù)取均值做為轉點的成果，不宜連續(xù)轉點。3.5.2點位要求：1)對用作基準站的控制點應根據(jù)技術和生產計劃在圖上進行設計；2)基準站應盡量設置于測區(qū)中部或相對制高點上，以方便電臺信號發(fā)送和數(shù)據(jù)傳送的覆蓋區(qū)域；3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3)應選擇便于安置儀器，周圍視野開闊，通視情況良好，高度角15°以上無障礙物阻擋衛(wèi)星信號；4)應遠離大功率無線電發(fā)射源等大型電磁發(fā)射源200米外，遠離高壓輸電線路、通訊線路50米外，避免周圍電磁場對GPS衛(wèi)星信號的干擾；5)周圍應無信號反射物（大面積水域、大型建筑物等），以減弱多路徑效應；6)點位應布設于交通方便，基礎穩(wěn)定，易于保存的地方，盡量避開交通要道、鐵路、道路路基，避免過往車輛、行人的干擾。3.5.3基準站設置要求：1)基準站上儀器架設要嚴格對中、整平，對中誤差不大于3mm；2)嚴格量取基準站接收機天線高，量取二次以上，互差小于3mm時記錄均值；3)GPS天線、信號發(fā)射天線、主機、電源等應連接正確；4)建立項目或作業(yè)，選擇測區(qū)的坐標系統(tǒng)及轉換參數(shù)，輸入用于基準站控制點的已知坐標；5)選擇RTK測量方式啟動基準站接收機，一般不記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，在進行管線點測量時，可選擇記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，便于RTK接收不到電臺信號時的測量后處理；3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定6)電臺連接正確，確保供電，頻率調節(jié)同流動站一致；7)基準站工作期間，工作人員不能遠離，要間隔一定時間檢查設備工作狀態(tài)，對不正常情況及時作出處理。不允許關機又重新啟動，不允許關閉或刪除文件，不允許改變天線位置，不允許改變衛(wèi)星截止高度角或天線高、天線類型、測站名等。3.6流動站的設置3.6.1檢查流動站記錄器內存或PC卡容量能否滿足工作需要，檢查是否備足電源。3.6.2GPS天線、主機、電臺接收天線、電源等應連接正確。3.6.3流動站一般采用2m對中桿作業(yè)，當高度不同時，應實測修正。3.6.4建立項目或作業(yè)，選擇測區(qū)的坐標系統(tǒng)及轉換參數(shù)（同所用參考站一致），輸入或傳入控制點的已知坐標及其它測設的點、線、面等資料。3.6.5選擇RTK測量方式，頻率調節(jié)同參考站電臺一致后啟動流動站接收機。3.6.6流動站的內置軟件應有下列功能：坐標轉換參數(shù)求解、測量結果的實時顯示、失鎖后自動重新初始化等工程應用軟件。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定4GPS（RTK）測量誤差來源

如果要想了解RTK測量的主要誤差來源，需要先了解GPS的主要誤差源具體類別。

GPS誤差來源

4-1

RTK誤差來源、測量精度及處理方法

4-2誤差來源對距離測量影響衛(wèi)星部分1、星歷誤差2、鐘誤差3、相對論效應1.5～15信號傳播1、電離層2、對流層3、多路徑效應1.5～15信號接收1、鐘的誤差2、位置誤差3、天線相位中心變化1.5～5其他影響1、地球潮汐2、負荷潮1.0RTK定位誤差同儀器干擾有關天線相位中心變化天線的機械中心和電子相位中心不重合，誤差一般達到3～5cm。提高RTK精度方法天線檢驗校正多路徑誤差大小和周圍的環(huán)境有關，一般誤差1～10cm不等，提高精度的方法，選擇不具反射面的點位，專業(yè)的天線，鋪設吸電波材料等。信號干擾周圍有干擾源，天線電發(fā)射源，高壓電線等。提高精度的方法，遠離干擾源。氣象因素快速運動的氣象鋒面引起，一般1～2cm，氣象變化較快時，不進行觀測象。同距離有關誤差電離層誤差和電離層引起電磁傳播延遲有關，主要和太陽黑子活動、地理位置、季節(jié)變化、晝夜變化有關。提高精度的方法，兩個以上觀測站同步觀測，利用電離層模型改正。太陽黑子活動劇烈時不宜觀測，平靜時一般誤差為5*10-6軌道誤差目前軌道誤差只有幾米，殘余相對誤差是1*10-6，就短基線<10km，結果影響可以忽略不計。對流層誤差對流層誤差同點距離和點間高差密切相關，一般可達3*10-65GPS（RTK）測量精度可靠性試驗GPS（RTK）儀器在工作時，通常受到工作時段的衛(wèi)星狀態(tài)、氣候條件、作業(yè)環(huán)境等方面的影響，這些影響直接影響到儀器設備的測量精度，因此對GPS（RTK）測量精度進行必要的試驗、一定量的數(shù)據(jù)檢測是必須的。

我們在深圳地區(qū)使用中海達（V8star）RTK儀器（平面精度±1cm+1ppm，高程精度±2cm+1ppm）進行了控制及管線點平面坐標和高程數(shù)據(jù)采集，對其測量精度進行了驗證和測試。5.1控制點精度的驗證

在測區(qū)內，首先利用拓普康GTS-332N全站儀布設一條7個點的二級導線，然后把GPS（RTK）基準站架設在已知國土控制點上，在參數(shù)設定完后，移動站采用三腳架對中，在最佳的觀測時段，對每點觀測4次，每次觀測時間不少于1分鐘，4次觀測數(shù)據(jù)的平均值作為該點的坐標、高程值，與二級導線成果進行誤差計算，平坐標誤差為2mm，高程誤差為5mm，都在《規(guī)范》允許范圍內。5.2管線點數(shù)據(jù)采集精度的驗證

對GPS（RTK）的作用，不只能局限于控制點加密，只有把它運用到最大限度，才能發(fā)揮它的應有功效。為了驗證在管線點數(shù)據(jù)采集過程中的精度情況和對自然環(huán)境的使用范圍，我分不同區(qū)域驗證了GPS（RTK）測量與全站儀測量的對比數(shù)據(jù)。在自然環(huán)境比較好，無遮擋物的地段，平坐標誤差為13mm，高程誤差為9mm，在《規(guī)范》允許范圍內；在自然環(huán)境比較差，且兩邊有高大建筑物遮當，RTK初始化速度慢，測量精度也受到影響，平坐標誤差為42mm，高程誤差為63mm，其高程誤差超過了《規(guī)范》允許的范圍，但兩邊無高大建度物遮擋，適當?shù)母淖儣U高，也能達到高精度的測量結果；在變壓器下、變電站旁、超高壓電線（≥10kv）下、樹木高大、葉片茂密的地方進驗證，RTK在這樣的環(huán)境中無法展開工作，一直處于差分態(tài)，所測結果誤差較大，不能使用。5GPS（RTK）測量精度可靠性試驗6提高質量與精度的經(jīng)驗、方法及措施6.1編制科學、合理、可靠的測量技術方案。因技術方案的科學性、合理性和可靠性對觀測成果的準確性起著至關重要的作用，對GPS（RTK）的作業(yè)時間、基準站位置的選擇、坐標系統(tǒng)參數(shù)的選擇、質量控制手段及數(shù)據(jù)檢核路線等等提供科學的指導依據(jù)，并把GPS（