淺析GPSRTK誤差來源及減弱誤差的方法

1、淺析GPSRTK誤差來源及減弱誤差的方法    論文導讀：觀測方案及精度分析。影響GPSRTK精度和可靠性的因素?？煽啃裕瑴\析GPSRTK誤差來源及減弱誤差的方法。 關鍵詞：GPSRTK測量，精度分析，可靠性    1 引言 二十世紀下半葉是測繪技術迅猛發(fā)展的時期，特別是近十多年來，它獲得了突出的成就。促進這一時期飛躍前進的因素之一就是測量儀器的迅速發(fā)展，其中有代表性的是GPS RTK的出現(xiàn)和使用。它既克服了常規(guī)測量要求點間通視、費工費時、精度不均、外業(yè)不能實時知道測量成果和測量精度的缺點，又避免了GPS靜態(tài)定位及

2、快速靜態(tài)相對定位需要進行后處理的缺點，若內業(yè)后處理中發(fā)現(xiàn)精度不合乎要求，就需進行返工。目前RTK實時三維精度可以達到厘米級， 但受觀測條件和其它因素的影響，RTK測量成果偶爾會產生錯誤，若不采取必要措施剔除這些錯誤成果，會對測繪工作造成嚴重后果1。本文主要分析影響GPS RTK內、外符合精度與可靠性的因素，提出切實可行的方法和措施，保證測繪成果的質量，為測繪生產提供技術支持和理論依據。 2 GPS RTK定位原理 GPS RTK是根據 GPS的相對定位概念，將一臺接收機放在已知點上(稱為基地站)，另一臺或幾臺接收機放在新點上(稱為移動站)，同步采集相同衛(wèi)星的信號如下圖1： 圖1 RTK原理 將

3、這些觀測值進行差分，可削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等的影響，實時定位，精度能大大提高。 RTK采用載波相位觀測值，能直接導出衛(wèi)星和天線之間的總波長數，并能解算模糊值。在通常的GPS測量中，需要將兩點之間的觀測值進行后處理才能求出總波長數和模糊值。論文格式，可靠性。在 RTK中，基地站的觀測值是通過無線電數據鏈播發(fā)給移動站進行數據的實時處理。由于近年來研究出實時解算模糊值的算法(稱為“途中”解算，或稱為 OTF)，使 RTK成為可能。這些求模糊值的算法能在接收機運動過程中解算模糊值。目前，在正常條件下，用 RTK解算模糊值只需要1060s的觀測值。一旦求出模糊值，即可開始RTK測量。當衛(wèi)星

4、失鎖或至基地站的數據鏈中斷時，此模糊值即已失效，此時必須重新求定模糊值。因為多數觀測者在各點之間遷站都是步行，即使衛(wèi)星失鎖或數據鏈信號中斷，在步行途中，RTK系統(tǒng)也能自動進行模糊值初始化。 基準站設置在坐標為已知的參考點上，如下圖2： 圖2 基準站 GPS天線安置在參考點的上方。GPS接收機連續(xù)采集數據，并通過無線電數據鏈或GSM電話播發(fā)給移動站。 3 影響GPSRTK精度和可靠性的因素 3.1 GPS系統(tǒng) GPS系統(tǒng)本身的影響因素用戶無法控制，這些因素包括GPS衛(wèi)星星數、衛(wèi)星圖形和大氣狀況。在OTF解算未知的模糊值時，至少需要有5顆共同星,星數越多解算模糊值時的速度越快,越可靠。研究表明,星

5、數增加太多，對提高RTK點位的精度不顯著，但觀測更多的衛(wèi)星將提高觀測成果的可靠性。衛(wèi)星圖形影響觀測成果質量，當衛(wèi)星均勻分時，布在整個天空時成果質量最可用衛(wèi)星數越多，衛(wèi)星圖形越好。對流層和電離層都會對GPS信號傳播造成影響，電離層的影響隨時間和空間波動較大，因此信號到達基準站和流動站時將不同程度的受其影響，而且基線越長，影響越大。在正常情況下，當點間距離較短時，其影響能夠模擬，殘差可通過觀測值的差分處理得到削弱或消除。RTK測量的基線長度，同軌道誤差和大氣影響密切相關，基線越長，電離層和對流層的誤差越大，觀測結果的誤差也越大，解算結果的可靠度也越低2。 3.2 RTK系統(tǒng) RTK系統(tǒng)的影響因子主

6、要包括數據鏈、天線類型和處理軟件，所以RTK設備的優(yōu)劣，不僅影響測量精度，而且也影響成果的可靠性。 3.3 環(huán)境 環(huán)境對RTK影響的因素主要有地形、基準站與流動站之間的障礙物、平面覆蓋、多路徑誤差、電波干擾等。 3.4 觀測方案 觀測方案對RTK結果的質量和可靠性產生重大影響，觀測方案的主要內容有： 基準站位置的選擇、坐標系統(tǒng)的選擇、歷元數、觀測次數等。論文格式，可靠性。 3.5 觀測者的技術和經驗 觀測者的專業(yè)水平和經驗對成果的精度和可靠性影響很大，例如：對中誤差、測量天線高等，都將影響測出的全部坐標。 3.6 其他因素 由于RTK作業(yè)方式特殊，有特有的誤差影響，同時RTK作業(yè)實時快速，但缺

7、少必要的檢核條件，所以測量成果也存在著不可靠性3。其主要影響因素如下： （1）轉換參數的影響。由于GPS 測量采用WGS284坐標系統(tǒng)，而我國目前所采用坐標系統(tǒng)為1954年北京坐標系（或1980國家大地坐標系、地方坐標系統(tǒng)等） ，高程基準為1956年黃海高程系（或1985國家高程基準），所以GPS RTK測量時必須先求解轉換參數，以便將WGS284坐標轉到地方坐標（或1954年北京坐標系、1980 國家大地坐標系等，下同）。轉換參數的求解是RTK測量的基礎，轉換參數的精確程度是影響RTK測量精度的關鍵因素。 （2）測量作業(yè)的控制區(qū)域。測量作業(yè)范圍受轉換控制點的約束，一般應在轉換控制點的控制圓區(qū)

8、域內作業(yè)，否則測量精度就大受影響。 （3）衛(wèi)星信號的影響。GPS是通過衛(wèi)星來定位的，衛(wèi)星信號的接收是GPS定位的基礎。GPS測量要求基準站和流動站的天線能同時接收到相同的5顆或5顆以上的衛(wèi)星信號，才能保證正確解算。由于衛(wèi)星分布隨時間變化而變化，不同時段衛(wèi)星數量和位置都不同。在衛(wèi)星數量較多和位置圖形較佳時，天線接收信號較好，初始化時間就短，精度較高；反之，即使天空中有5顆以上的衛(wèi)星，但由于基準站和流動站沒能同時接收到足夠的衛(wèi)星信號，使初始化時間很長，測量精度很差，甚至不能解算出固定解。論文格式，可靠性。同時，由于基準站或流動站選擇位置不當，會使部分衛(wèi)星信號被高樓等建筑物阻擋，出現(xiàn)衛(wèi)星數量不足；或

9、衛(wèi)星信號被周圍物體反射再接收而產生“多路徑效應”，使測量出現(xiàn)錯誤。（4） RTK基準站數據鏈傳輸的影響。因RTK測量時要求基準站GPS接收機實時地把觀測數據和基準站已知數據通過無線電發(fā)射，傳輸給流動站GPS接收機，所以無線電信號的傳輸在RTK測量中至關重要。但無線電的數據鏈信號在傳輸時容易被高樓、山峰等阻擋，也可能被其他電磁波干擾或出現(xiàn)信號異常，所以對RTK流動站的電臺接收RTK測量的可靠性影響很大。 （5）流動站方式影響。流動站一般有對中桿和三腳架兩種方式。使用對中桿方便，但天線不固定，精度起伏大；使用三腳架稍繁瑣，但精度穩(wěn)定。 （6）電源的影響。如果電量不足，不但影響衛(wèi)星信號和無線電數據的

10、接收，產生不可靠的坐標數據，甚至可能無法開展RTK測量。 4 GPS RTK觀測方案及精度分析 4.1 GPS RTK外業(yè)觀測方法和精度分析 將基準站選擇在測區(qū)中央時，到達測區(qū)內各個點的基線長較均勻，則其誤差分布也較均勻，將基準站選擇在測區(qū)邊緣時，則離基準站遠的地方精度就不如離基準站近的，因為RTK是靠無線電傳輸數據的，受基線長度影響，而且距離越遠其中間的干擾因素就有可能多。以下數據是分別將基準站選擇在測區(qū)中央和測區(qū)邊緣的GPS RTK觀測數據和坐標真值的比較（平面坐標為一級GPS靜態(tài)平差數據，高程為四等水準高程）。 表4.1 基準站選在測區(qū)中央     

11、; 點名    X坐標(m)    Y坐標(m)    H(m)高程     I-1    96805.868    605320.787    2.501     I-2    96624.513   

12、60;605309.412    2.166     I-3    96675.391    605510.565    2.251     I-4    96717.841    605755.695    2.541 

13、0;   I-5    97035.261    605530.876    3.361          表4.2 基準站選在測區(qū)邊緣      點名    X坐標(m)    Y坐標(m)    H(m)高程

14、0;    I-1    96805.791    605320.813    2.536     I-2    96624.531    605309.425    2.173     I-3    9667

15、5.374    605510.579    2.259     I-4    96717.862    605755.710    2.556     I-5    97035.269    605530.859  &

16、#160; 3.371          表4.3坐標真值      點名    X坐標(m)    Y坐標(m)    H(m)高程     I-1    96805.875        

17、0; 605320.796          2.517     I-2    96624.506          605309.401          2.151     I-3 &#

18、160;  96675.3975          605510.563          2.245     I-4    96717.848          605755.6915   

19、0;      2.533     I-5    97035.252          605530.8845          3.350          通過采集數據比較，當基準站選在測區(qū)中央時精度較高。

20、當基準點選在測區(qū)中央時，在測量過程中，每個點基線長都在作業(yè)半徑內，采集數據快且誤差分布均勻，點的觀測精度相對就高。 4.2 GPS RTK測量精度分析 當對某個量進行重復觀測時就會發(fā)現(xiàn)，這些測量值之間往往存在一些差異。例如觀測一個平面三角形的三個內角，就會發(fā)現(xiàn)其觀測值之和不等于180°，這種在同一個量的各觀測值之間，或在各觀測值與其理論上的應有值之間存在差異的現(xiàn)象，在測量工作中是普遍存在的。 觀測誤差產生的原因很多，概括起來有以下三個方面： 1、測量儀器 由于每一種儀器只具有一定限度的準確度，由此觀測的數據必然帶有誤差。同時，儀器本身也有一定的誤差，如GPS接受機所采集的數據存在著儀

21、器的誤差。 2、觀測者 由于觀測者的感覺器官的鑒別能力有一定的局限，所以在儀器的操作過程中也會產生誤差。論文格式，可靠性。同時，觀測者的技術水平和工作態(tài)度也是對觀測數據質量有直接影響的重要因素。 3、外界條件 測量時的外界條件，如溫度、濕度、風力、大氣折光等因素和變化都會對觀測的數據直接產生影響。特別是高精度的測量，更重視外界條件產生的觀測誤差。例如。GPS接收機所接收的是來自2萬千米高空的衛(wèi)星信號，經過電離層、大氣層都會發(fā)生信號延遲產生的誤差。 上述測量儀器、測量者、外界條件三方面的因素是引起誤差的主要來源，由此可見，觀測條件的好壞與觀測成果的質量有密切聯(lián)系。當觀測條件好的時候，觀測中所產生

22、的誤差相應地小些，因而觀測成果的質量就會高一些。如果觀測條件相同，觀測成果的質量也就可以說是相同的。所以說，觀測成果的質量高低也客觀地反應了觀測條件的優(yōu)劣4。 在GPS RTK施測過程中，應兩次觀測取平均值，即雙基準站的方法進行測量既可提高精度，又可確保成果的可靠性。論文格式，可靠性。 5 提高精度和可靠性的措施 5.1 轉換參數的合理求解 一般轉換參數求解時，盡量用高等級的控制點作為轉換控制點，且轉換控制點盡量分布均勻、包含整個測區(qū)。論文格式，可靠性。如果待測區(qū)域沒有足夠的轉換控制點，最好先布設轉換控制點，用靜態(tài)方式一起測量，平差求出所需的WGS284坐標和地方坐標。 5.2 基準站的選擇 因需要接收足夠的衛(wèi)星信號和發(fā)射RTK無線電數據鏈,基準站上空應無大面積遮蔽和影響數據鏈通訊的無線電干擾，并避免多路徑效應，因此RTK基準站點位應選擇在視野開闊的建筑物頂部或地勢較高處，避開電視、電臺發(fā)射塔、微波站、飛機場、高壓線、和大面積水域等。實踐表明，一個地區(qū)經常使用的RTK流動站，最好做成強制歸心礅，并做好電臺發(fā)射天線的輔助竿和儀器安放箱，方便RTK作業(yè)，又便于利用原有轉換參數和坐標成果，提高RTK精度。 5.3 流動站方式