論述線路測(cè)量RTK基準(zhǔn)站誤差影響及對(duì)策

1、    論述線路測(cè)量rtk基準(zhǔn)站誤差影響及對(duì)策    包兵兵 王雪春摘要: 本文從rtk技術(shù)特點(diǎn)出發(fā), 分析了rtk線路測(cè)量誤差來(lái)源。詳細(xì)探討與基準(zhǔn)站有關(guān)的誤差影響特征與規(guī)律, 分析了基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)誤差、載波相位及載波修改值誤差影響特性。關(guān)鍵詞: 線路測(cè)量; gps; rtk; 誤差; 基準(zhǔn)站中圖分類號(hào)：u212.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：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(shí)時(shí)差

3、分定位rtk技術(shù)是目前線路測(cè)量最為廣泛使用的測(cè)量技術(shù)之一。rtk 技術(shù)與gps 靜態(tài)定位技術(shù)相比, 一方面, rtk實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量更高效、更靈活。另一方面, rtk實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)工藝相對(duì)復(fù)雜。其中與基準(zhǔn)站參考基準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位相關(guān)的誤差, 對(duì)rtk 作業(yè)精度及可靠性產(chǎn)生直接影響。為此, 我們有必要對(duì)基準(zhǔn)站誤差影響特性進(jìn)行研究。以便更好地發(fā)揮rtk技術(shù)在線路測(cè)量中的優(yōu)勢(shì), 為rtk測(cè)量生產(chǎn)實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。1 rtk誤差源分析rtk (real time kinematic) 技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的時(shí)動(dòng)態(tài)差分gps 衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)。rtk定位點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量是

4、通過(guò)gps 接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)來(lái)的信息和接收基準(zhǔn)站的差分信息確定地面點(diǎn)的三維坐標(biāo), 如圖1 所示。它的作業(yè)模式要求在已知點(diǎn)上設(shè)基準(zhǔn)站架設(shè)gps 接收機(jī), 將其觀測(cè)采集到的載波相位觀測(cè)量調(diào)制到基準(zhǔn)站電臺(tái)的載波上, 再通過(guò)基準(zhǔn)站電臺(tái)將這一調(diào)制波和測(cè)站坐標(biāo)信息一并發(fā)射給流動(dòng)站。由此可知, 由于rtk作業(yè)距離較長(zhǎng), 基準(zhǔn)站誤差是rtk的主要誤差來(lái)源之一。此rtk定位測(cè)量的主要誤差來(lái)源見(jiàn)表1。rtk定位測(cè)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(guān)的誤差 與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差 與接收機(jī)有關(guān)的誤差 與基準(zhǔn)站有關(guān)的誤差 與無(wú)線數(shù)據(jù)鏈有關(guān)的誤差 與流動(dòng)站及其觀測(cè)作業(yè)有關(guān)的誤差

5、衛(wèi)星星歷誤差電離層折射誤差接收機(jī)鐘誤差基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)誤差差分信號(hào)調(diào)制解調(diào)誤差rtk 天線姿態(tài)誤差 衛(wèi)星時(shí)鐘誤差對(duì)流層大氣折射誤差接收機(jī)的位置誤差基準(zhǔn)站載波修改值誤差外界環(huán)境干擾影響坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差 多路徑傳播誤差基準(zhǔn)站載波相位誤差大地水準(zhǔn)面差距內(nèi)插誤差2 rtk基準(zhǔn)站相關(guān)的誤差影響特性分析2.1 基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)誤差基準(zhǔn)站點(diǎn)位精度取決于擬合殘差的大小, 是rtk點(diǎn)位的一項(xiàng)重要系統(tǒng)誤差來(lái)源。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)代公路控制網(wǎng)測(cè)設(shè)精度標(biāo)準(zhǔn), 以及gps 相對(duì)靜態(tài)定位和全站儀等技術(shù)先進(jìn)可靠、精度高的測(cè)量技術(shù)。已有四等網(wǎng)和城市一、二級(jí)控制網(wǎng)的精度狀況, 優(yōu)則在±1cm 以內(nèi), 差的達(dá)±5cm 左

6、右。如果作業(yè)前做了相容檢驗(yàn)和剔除, 則擬合殘差可望控制在±3cm以內(nèi)。2.2 地球曲率的影響若基準(zhǔn)站位于3°帶或6°帶分界子午線附近、或測(cè)區(qū)的平均高程較大時(shí), 投影變形較大。當(dāng)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離d = 15km 時(shí),圖1 rtk線路測(cè)量基本原理由此可見(jiàn), 地球曲率的影響相對(duì)誤差為150萬(wàn)。當(dāng)距離在15km 以上時(shí), 可以考慮曲率影響。2.3 基準(zhǔn)站載波修改值誤差采用載波相位修正法進(jìn)行rtk定位, 利用衛(wèi)星星歷計(jì)算出衛(wèi)星的位置與已知基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)來(lái)計(jì)算出衛(wèi)星至基準(zhǔn)站的真實(shí)距離(精確) , 進(jìn)而可求出偽距載波相位改正數(shù)?；鶞?zhǔn)站再將載波相位改正數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給流動(dòng)觀

7、測(cè)站, 以修正其載波相位, 求解出流動(dòng)站精確位置坐標(biāo)。載波相位改正數(shù)一般采用逼近法解算, 其數(shù)學(xué)模型如下:設(shè)在基準(zhǔn)站觀測(cè)第k 個(gè)gps 衛(wèi)星, 求得偽距為:式中:為基準(zhǔn)站到第k 個(gè)衛(wèi)星的真實(shí)距離, 可由基準(zhǔn)站坐標(biāo)和衛(wèi)星的星歷求得;為基準(zhǔn)站的接收機(jī)時(shí)鐘偏差; 為第k 個(gè)衛(wèi)星鐘的時(shí)鐘偏差; 為第k 個(gè)衛(wèi)星的星歷誤差引起的偽距誤差;為電離層效應(yīng);為對(duì)流層效應(yīng)。利用衛(wèi)星星歷計(jì)算出衛(wèi)星的位置與已知基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)來(lái)計(jì)算出衛(wèi)星至基準(zhǔn)站的真實(shí)距離 ，這樣可求出載波相位偽距改正數(shù):如果用k 對(duì)流動(dòng)觀測(cè)站載波相位偽距進(jìn)行修正, 則考慮限制rtk定位基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離小于10km , 受衛(wèi)星星歷、電離層和對(duì)流層延

8、遲等影響大至相同。則式中:包含同一觀測(cè)歷元的各項(xiàng)殘差起始相位整周數(shù)(整周模糊度)為從起始?xì)v元始至觀測(cè)歷元間的相位整周變化數(shù)測(cè)量相位的尾數(shù)(小數(shù)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(zhǔn)站到衛(wèi)星的真實(shí)距離, 由衛(wèi)星星歷與基準(zhǔn)站的坐標(biāo)精確求解。 觀測(cè)歷元的各項(xiàng)殘差設(shè)為未知數(shù), 與待定點(diǎn)坐標(biāo)一并求解。由分析測(cè)試報(bào)告可知, 在每個(gè)歷元之間的 基本保持不變, 在求解過(guò)程中可以視為常數(shù);起始?xì)v元始至觀測(cè)歷元間的相位整周變化數(shù) 和不足整周的相位尾數(shù)可以由接收機(jī)精確測(cè)定, gps 接收機(jī)采用的晶體振蕩器穩(wěn)定度僅為l0 - 7 ,但仍能保證達(dá)到10 - 9 的精度。所以這一項(xiàng)在第i 個(gè)

9、歷元和第i + 1 個(gè)歷元間基本不變。求解此方程最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何求解初始相位整周模糊度。在整周數(shù)確定后,任一歷元輸出的觀測(cè)基線精度(瞬時(shí)天線相位中心相對(duì)于參考站) 將優(yōu)于(10mm ±1ppmd) ?；鶞?zhǔn)站初始相位整周模糊度確定最常用的方法有: 靜態(tài)相對(duì)定位法; 已知基線法; 交換天線法。在基準(zhǔn)站上, 觀測(cè)條件較好, 受外界環(huán)境干擾小, 相對(duì)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng), 假設(shè)觀測(cè)是不間斷的,且點(diǎn)位精確的位置是已知, 相當(dāng)于長(zhǎng)時(shí)間靜態(tài)觀測(cè), 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(shù)。24 基準(zhǔn)站載波相位誤差采用載波相位差分法進(jìn)行rtk定位, 就是將基準(zhǔn)站采集的載波相位通過(guò)數(shù)據(jù)

10、鏈直接發(fā)送給流動(dòng)觀測(cè)站, 流動(dòng)站靜態(tài)觀測(cè)若干歷元初始化后, 求解其相位模糊度。進(jìn)行求差解出流動(dòng)站精確位置坐標(biāo)。載波相位解算坐標(biāo)一般采用求差法, 通過(guò)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(jī)的鐘差求解; 三差方程求解解決整周相位模糊度確定問(wèn)題。在靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理中, 主要任務(wù)是求解基線矢量。因此它的計(jì)算程序是利用三差求解出近似的基線長(zhǎng)度, 再利用浮動(dòng)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(jìn)行固定雙差的計(jì)算, 最后求解出精密的基線矢量。載波相位差分法進(jìn)行rtk定位, 只采用單差和雙差虛擬相位觀測(cè)值求解算待定點(diǎn)坐標(biāo), 因此, 僅僅能消弱衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差。關(guān)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(zhì)同上。3 rtk線路測(cè)量的對(duì)策由于rtk 線路測(cè)量作業(yè)距離較長(zhǎng), 針對(duì)rtk線路測(cè)量基準(zhǔn)站相關(guān)的誤差影響特性, 特提出減小基準(zhǔn)站相關(guān)誤差對(duì)rtk線路測(cè)量影響的措施如下:(1) 在線路測(cè)量工程中采用附合雙絞線型rtk線路測(cè)量控制網(wǎng)布設(shè)方案, 保證得到平面和高程要求的精確度水平和數(shù)據(jù)的一致性、可靠性。圖3 附合雙絞線型控制網(wǎng)布設(shè)方案雙絞控制網(wǎng)點(diǎn)實(shí)測(cè)短基線除保證控制點(diǎn)橫向誤差積累外, 可提供線路rtk實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量檢核、提高初始化的可靠性和效率。(2) 基準(zhǔn)站應(yīng)架設(shè)在控制點(diǎn)或已知點(diǎn), 確保最佳觀測(cè)窗口。當(dāng)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離d > 15km 時(shí)應(yīng)顧及

12、基準(zhǔn)站距離的歸算、歸化改正問(wèn)題, 使投影變形滿足工程要求, 以避免不同基準(zhǔn)站斷面測(cè)量時(shí),點(diǎn)距與實(shí)際距離的不符以及計(jì)算斷面點(diǎn)、地形點(diǎn)水平距離時(shí)偏差過(guò)大等。(3) 選擇高精度、可靠穩(wěn)定的初始整周未知數(shù)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(zhǔn)站已知坐標(biāo)做相容性檢驗(yàn)和剔除。盡量提高基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)的精度和可靠性。每日施工前;基準(zhǔn)站遷移到新的控制點(diǎn);接收機(jī)或控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)或參數(shù)更新后。應(yīng)復(fù)測(cè)1 個(gè)或檢測(cè)1 個(gè)以上已知點(diǎn)后才能進(jìn)行施工, 檢核點(diǎn)總數(shù)不少于總測(cè)量點(diǎn)數(shù)的5 %。線路測(cè)量檢核限差應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。(7) 在原有g(shù)ps 控制點(diǎn)不能滿足中線縱斷面測(cè)量的前提下, 可以使用快速靜態(tài)技術(shù)或rtk技術(shù)加密控制點(diǎn), 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)同原控制網(wǎng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。使用rtk技術(shù)加密控制點(diǎn)只能加密一次, 即從gps靜態(tài)技術(shù)所測(cè)控制點(diǎn)上向外可以加密一次, 該加密點(diǎn)作為參考站使用。施測(cè)加密點(diǎn)時(shí)須測(cè)2 次, 2 次互差不得大于儀器標(biāo)稱限差。4 展望rtk技術(shù)應(yīng)用于線路測(cè)量中線縱斷面測(cè)量、橫斷面測(cè)量、帶狀地形圖測(cè)量等, 比常規(guī)測(cè)量技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。例如中線縱、橫斷面測(cè)量都需