論述線路測量RTK基準站誤差影響及對策

1、    論述線路測量rtk基準站誤差影響及對策    包兵兵 王雪春摘要: 本文從rtk技術特點出發(fā), 分析了rtk線路測量誤差來源。詳細探討與基準站有關的誤差影響特征與規(guī)律, 分析了基準站已知坐標誤差、載波相位及載波修改值誤差影響特性。關鍵詞: 線路測量; gps; rtk; 誤差; 基準站中圖分類號：u212.24文獻標識碼：a文章編號：abstract: this article from the characteristics of rtk technology, analyzes the measurement error sources rt

2、k lines. discusses in detail and the benchmark stand error influence the characteristic and law, and analyzes the error, the benchmark stand known coordinates carrier phase and carrier modify value error influence characteristics.keywords: line measurement; gps; rtk; error; benchmark stand高精度gps 實時差

3、分定位rtk技術是目前線路測量最為廣泛使用的測量技術之一。rtk 技術與gps 靜態(tài)定位技術相比, 一方面, rtk實時動態(tài)測量更高效、更靈活。另一方面, rtk實時動態(tài)定位系統(tǒng)結構和數據采集與處理技術工藝相對復雜。其中與基準站參考基準進行實時相對定位相關的誤差, 對rtk 作業(yè)精度及可靠性產生直接影響。為此, 我們有必要對基準站誤差影響特性進行研究。以便更好地發(fā)揮rtk技術在線路測量中的優(yōu)勢, 為rtk測量生產實踐提供理論基礎和技術指導。1 rtk誤差源分析rtk (real time kinematic) 技術是以載波相位觀測量為根據的時動態(tài)差分gps 衛(wèi)星測量技術。rtk定位點坐標測量是

4、通過gps 接收機接收衛(wèi)星發(fā)來的信息和接收基準站的差分信息確定地面點的三維坐標, 如圖1 所示。它的作業(yè)模式要求在已知點上設基準站架設gps 接收機, 將其觀測采集到的載波相位觀測量調制到基準站電臺的載波上, 再通過基準站電臺將這一調制波和測站坐標信息一并發(fā)射給流動站。由此可知, 由于rtk作業(yè)距離較長, 基準站誤差是rtk的主要誤差來源之一。此rtk定位測量的主要誤差來源見表1。rtk定位測量的主要誤差表1rtk誤差源分類 誤差影響1 誤差影響2 誤差影響3 與衛(wèi)星有關的誤差 與信號傳播有關的誤差 與接收機有關的誤差 與基準站有關的誤差 與無線數據鏈有關的誤差 與流動站及其觀測作業(yè)有關的誤差

5、衛(wèi)星星歷誤差電離層折射誤差接收機鐘誤差基準站已知坐標誤差差分信號調制解調誤差rtk 天線姿態(tài)誤差 衛(wèi)星時鐘誤差對流層大氣折射誤差接收機的位置誤差基準站載波修改值誤差外界環(huán)境干擾影響坐標系統(tǒng)轉換誤差 多路徑傳播誤差基準站載波相位誤差大地水準面差距內插誤差2 rtk基準站相關的誤差影響特性分析2.1 基準站已知坐標誤差基準站點位精度取決于擬合殘差的大小, 是rtk點位的一項重要系統(tǒng)誤差來源。根據我國現代公路控制網測設精度標準, 以及gps 相對靜態(tài)定位和全站儀等技術先進可靠、精度高的測量技術。已有四等網和城市一、二級控制網的精度狀況, 優(yōu)則在±1cm 以內, 差的達±5cm 左

6、右。如果作業(yè)前做了相容檢驗和剔除, 則擬合殘差可望控制在±3cm以內。2.2 地球曲率的影響若基準站位于3°帶或6°帶分界子午線附近、或測區(qū)的平均高程較大時, 投影變形較大。當基準站與流動站距離d = 15km 時,圖1 rtk線路測量基本原理由此可見, 地球曲率的影響相對誤差為150萬。當距離在15km 以上時, 可以考慮曲率影響。2.3 基準站載波修改值誤差采用載波相位修正法進行rtk定位, 利用衛(wèi)星星歷計算出衛(wèi)星的位置與已知基準站的精確坐標來計算出衛(wèi)星至基準站的真實距離(精確) , 進而可求出偽距載波相位改正數。基準站再將載波相位改正數通過數據鏈發(fā)送給流動觀

7、測站, 以修正其載波相位, 求解出流動站精確位置坐標。載波相位改正數一般采用逼近法解算, 其數學模型如下:設在基準站觀測第k 個gps 衛(wèi)星, 求得偽距為:式中:為基準站到第k 個衛(wèi)星的真實距離, 可由基準站坐標和衛(wèi)星的星歷求得;為基準站的接收機時鐘偏差; 為第k 個衛(wèi)星鐘的時鐘偏差; 為第k 個衛(wèi)星的星歷誤差引起的偽距誤差;為電離層效應;為對流層效應。利用衛(wèi)星星歷計算出衛(wèi)星的位置與已知基準站的精確坐標來計算出衛(wèi)星至基準站的真實距離 ，這樣可求出載波相位偽距改正數:如果用k 對流動觀測站載波相位偽距進行修正, 則考慮限制rtk定位基準站與流動站距離小于10km , 受衛(wèi)星星歷、電離層和對流層延

8、遲等影響大至相同。則式中:包含同一觀測歷元的各項殘差起始相位整周數(整周模糊度)為從起始歷元始至觀測歷元間的相位整周變化數測量相位的尾數(小數部分)將式(6) 代入整理的差分模型如下:分析式(7) 可知,為基準站到衛(wèi)星的真實距離, 由衛(wèi)星星歷與基準站的坐標精確求解。 觀測歷元的各項殘差設為未知數, 與待定點坐標一并求解。由分析測試報告可知, 在每個歷元之間的 基本保持不變, 在求解過程中可以視為常數;起始歷元始至觀測歷元間的相位整周變化數 和不足整周的相位尾數可以由接收機精確測定, gps 接收機采用的晶體振蕩器穩(wěn)定度僅為l0 - 7 ,但仍能保證達到10 - 9 的精度。所以這一項在第i 個

9、歷元和第i + 1 個歷元間基本不變。求解此方程最關鍵的問題是如何求解初始相位整周模糊度。在整周數確定后,任一歷元輸出的觀測基線精度(瞬時天線相位中心相對于參考站) 將優(yōu)于(10mm ±1ppmd) ?；鶞收境跏枷辔徽苣：却_定最常用的方法有: 靜態(tài)相對定位法; 已知基線法; 交換天線法。在基準站上, 觀測條件較好, 受外界環(huán)境干擾小, 相對觀測時間較長, 假設觀測是不間斷的,且點位精確的位置是已知, 相當于長時間靜態(tài)觀測, 所以整周模糊度的解算很精確。采用以上方法一般能較好的固定為整數。24 基準站載波相位誤差采用載波相位差分法進行rtk定位, 就是將基準站采集的載波相位通過數據

10、鏈直接發(fā)送給流動觀測站, 流動站靜態(tài)觀測若干歷元初始化后, 求解其相位模糊度。進行求差解出流動站精確位置坐標。載波相位解算坐標一般采用求差法, 通過單差方程求解中消去衛(wèi)星鐘差影響; 雙差方程求解消接收機的鐘差求解; 三差方程求解解決整周相位模糊度確定問題。在靜態(tài)測量數據處理中, 主要任務是求解基線矢量。因此它的計算程序是利用三差求解出近似的基線長度, 再利用浮動雙差法求解出相位模糊度和基線矢量。將求得的相位模糊度湊整后, 進行固定雙差的計算, 最后求解出精密的基線矢量。載波相位差分法進行rtk定位, 只采用單差和雙差虛擬相位觀測值求解算待定點坐標, 因此, 僅僅能消弱衛(wèi)星和接收機的鐘差。關鍵仍

11、然是求解初始整周模糊度。整周模糊度確定的影響性質同上。3 rtk線路測量的對策由于rtk 線路測量作業(yè)距離較長, 針對rtk線路測量基準站相關的誤差影響特性, 特提出減小基準站相關誤差對rtk線路測量影響的措施如下:(1) 在線路測量工程中采用附合雙絞線型rtk線路測量控制網布設方案, 保證得到平面和高程要求的精確度水平和數據的一致性、可靠性。圖3 附合雙絞線型控制網布設方案雙絞控制網點實測短基線除保證控制點橫向誤差積累外, 可提供線路rtk實時動態(tài)測量檢核、提高初始化的可靠性和效率。(2) 基準站應架設在控制點或已知點, 確保最佳觀測窗口。當基準站與流動站距離d > 15km 時應顧及

12、基準站距離的歸算、歸化改正問題, 使投影變形滿足工程要求, 以避免不同基準站斷面測量時,點距與實際距離的不符以及計算斷面點、地形點水平距離時偏差過大等。(3) 選擇高精度、可靠穩(wěn)定的初始整周未知數固定搜索算法, rtk定位作業(yè)中盡量保持衛(wèi)星不失鎖。(4) 基準站已知坐標做相容性檢驗和剔除。盡量提高基準站已知坐標的精度和可靠性。每日施工前;基準站遷移到新的控制點;接收機或控制器內的數據或參數更新后。應復測1 個或檢測1 個以上已知點后才能進行施工, 檢核點總數不少于總測量點數的5 %。線路測量檢核限差應根據實際情況而定。(7) 在原有gps 控制點不能滿足中線縱斷面測量的前提下, 可以使用快速靜態(tài)技術或rtk技術加密控制點, 坐標轉換參數同原控制網的轉換參數。使用rtk技術加密控制點只能加密一次, 即從gps靜態(tài)技術所測控制點上向外可以加密一次, 該加密點作為參考站使用。施測加密點時須測2 次, 2 次互差不得大于儀器標稱限差。4 展望rtk技術應用于線路測量中線縱斷面測量、橫斷面測量、帶狀地形圖測量等, 比常規(guī)測量技術有明顯優(yōu)勢。例如中線縱、橫斷面測量都需