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1、 浅析RTK技术在工程测量中的应用摘要：本文概括了RTK技术作业模式的发展历程和有关基本理论，阐述了RTK技术作业模式的有关技术问题，分析了影响 GPS-RTK 精度的因素及应对措施，介绍了RTK的作业过程，利用RTK技术在工程测量中的应用实例，得出了RTK技术具有工作效率高、定位精度高、全天候作业、数据处理能力强和操作简单易于使用等特点，通过将RTK测量和传统测量进行对比，总结出RTK技术在工程测量领域应用中的优缺点。关键词：RTK技术 工程测量引言： 1973 年12 月，美国国防部批准他的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统： NAVSTAR/GPS。它是英文“Navigation Sat
2、ellite Timing and Ranging/Global Positioning System”的缩写词。其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统” ， 简称 GPS 系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统。该系统从 1973 年开始研究，到 1993 年完成全部工作卫星组网工作。该系统由 24 颗卫星组成， 卫星分布在相隔 60的 6 个轨道面上，轨道倾角 55，卫星高度 20200km，卫 星运行周期 11h58m，这样在地球上任何地点、任何时间都可以接收至少 4 颗卫 星运行定位。由于 GPS 具有实时提供三维坐标的能力，因此在民用、商业、科学 研究上也得到了广泛应用。它不
3、仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与 定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。从静态定位到快速定位、动态定 位，GPS 技术已广泛应用于测绘工作中。 随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的需求也日益强烈。而目前使用最为广泛的高精度定位技术就是RTK(实时动态定位：Real-TimeKinematic)，RTK技术的关键在于使用了GPS的载波相位观测量，并利用了参考站和移动站之间观测误差的空间相关性，通过差分的方式除去移动站观测数据中的大部分误差，从而实现高精度(分米甚至厘米级)的定位。一、RTK定义概述与原理及其系统组成（一）RTK简介及基本原理高精度的GPS测量必须采
4、用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。基准站把接收的所有卫星信号(包括伪距和载波相位测量值)和基准站的一些信息(如基准站的坐标，天线高等)都通过系统传送到流动站，流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的卫星的数据。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给
5、出厘米级定位结果。在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传到控制器内(一般是微型计算机)，并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求解得出两站间的基线值，同时输入相应的坐标、转换参数和投影参数，即可实时求得实用的未知点坐标，历时不足一秒钟。因此要求GPS接收机要具备很强的运算能力，RTK的工作原理图见1-1。数据调制GPS接收机发射电台基 准 站收讯机数据调解GPS接收机数据调解流 动 站 图1-1 RTK的工作原理图（2） RTK的系统组成 GPS-RTK系统由一个基准站，若干个流动站及通讯系统三部分组成。基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射
6、设备使用的电源及基准站控制器等部分。在有的GPS-RTK系统中，基准站GPS接收机本身具有数据传输参数、测量参数及坐标系统等内容的设置功能，使控制器与GPS接收机合二为一体。该系统的结构图见图2-1，RTK的系统组成图见图2-2。GPS接受机控 制 屏GPS接受机电源电源无线电接受系统无线电发射系统显示控制屏GPS天频反射天频 GPS天频图2-1 RTK系统结构图1. GPS接收机GPS接收机的功能是接收、处理和存储卫星信号。一个RTK系统至少需要两台GPs 接收机，一台为基准站，一台流动站。2. 电台RTK系统中基准站和流动站的GPS接收机通过电台进行通信联系。因此，基准站系统和流动站系统都
7、包括电台部件。如前所述，基准站GPS接收机必须向流动站GPS接收机传输原始数据，流动站GPS接收机才能计算出基准站和流动站之间的基线向量。3. 掌上电脑掌上电脑，是流动站系统的用户介面。RKT系统中的掌上电脑在功能上很像全站仪系统中的数据采集器。很多时候，RKT系统和全站仪系统会使用同样的数据采集器软件(即TDS)作介面。RTK系统中每个流动站只需用到一部掌上电脑(电子手簿)。图2-2 RTK系统的组成图4.电源系统基准站和流动站都需要电源才能工作。在流动站中，GPS接收机和电台使用同一电源。在基准站中，GPS 接收机和电台可使用同一或不同电源。无论如何，根据选用电台类型的不同，基准站系统的电
8、源要求可能比流动站系统要高出很多。如果基准站电台必须要将数据传输到5公里以外的流动站系统，基准站电台的发射功率就要很高，耗电量也很大。二常规 RTK 测量作业模式RTK 系统正常工作要具备以下三个条件：第一，基准站和移动站同时接收到 4颗以上 GPS 卫星信号；第二，基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准 站发出的差分信号；第三，基准站和移动站要连续接收 GPS 卫星信号和基准站发 出的差分信号。即移动站迁站过程中不能关机，不能失锁。否则 RTK 须重新初始化。根据用户的要求，目前实施动态测量采用的作业模式主要有： 1.快速静态测量 采用这种测量模式，要求 GPS 接收机在每一用户站上精致地进
9、行观测。观测过程中，连同接收到的基站的同步观测数据，实时地结算整周未知数和用户站的 三位坐标。如果结算结果趋于稳定，且精度已满足设计的要求，便可适时的结束 观测工作。 采用这种模式作业时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对 GPS 卫星的连续跟踪，其定位精度可达 12cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域 性的控制测量、工程测量和地籍测量等。 2. 准动态测量 采用这种测量模式，通常要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某 一起始点上静止地进行观测，以便采用快速解算周未知数的方法实时地进行初始 化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站上只需精致观测几个历元，并 连同基准站的同步观
10、测数据，实时地解算流动站的三维坐标。目前，其定位精度 可达厘米级。但这种方法要求接收机在观测过程中保持对所测卫星的连续跟踪一旦发 生失锁,便需要进行初始化工作。 准动态实时测量模式，通常主要应用于地籍测量、碎步测量、路线测量和工程放样等。 3. 动态测量 动态测量模式，一般需要在某一起时点上，静止地观测数分钟，以便进行初 始化工作。之后，运动的接收机预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基 准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。目前，其定位的精度可达 厘米级。 这种测量模式，仍需要求在观测过程中，保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，则需要重新进行初始化。这时,对陆地上的运动目标
11、来说，可以在卫 星失锁的观测站上，静止地观测数分钟，以便重新初始化，活着利用动态初始化 （AROF）技术，重新初始化。而对海上和空中的运动目标来说，则只有应用 AROF 技术，重新完成初始化的工作。实时动态测量模式， 主要应用于航空摄影测量和航空特探中采样点的实时定位，航道测量，道路中线测量，以及运动目标的精密导航等。目前，实时动态测量系统，已在约 30km 的范围内，得到了成功的应用。随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高，以及数据处理软件功能的增强，它的应用范围将会不 断地扩大，其定位精度也将不断提高。3 影响 GPS-RTK 精度的因素及应对措施1.GPS系统GPS系统本身的影响因
12、素用户无法控制，这些因素包括GPS卫星星数、卫星图形和大气状况。在OTF解算未知的模糊值时，至少需要有5颗共同星,星数越多解算模糊值时的速度越快,越可靠。研究表明,星数增加太多，对提高RTK点位的精度不显著，但观测更多的卫星将提高观测成果的可靠性。卫星图形影响观测成果质量，当卫星均匀分时，布在整个天空时成果质量最可用卫星数越多，卫星图形越好。对流层和电离层都会对GPS信号传播造成影响，电离层的影响随时间和空间波动较大，因此信号到达基准站和流动站时将不同程度的受其影响，而且基线越长，影响越大。在正常情况下，当点间距离较短时,免费论文网，其影响能够模拟，残差可通过观测值的差分处理得到削弱或消除。R
13、TK测量的基线长度，同轨道误差和大气影响密切相关，基线越长，电离层和对流层的误差越大，观测结果的误差也越大，解算结果的可靠度也越低2。2.RTK系统RTK系统的影响因子主要包括数据链、天线类型和处理软件，所以RTK设备的优劣，不仅影响测量精度，而且也影响成果的可靠性。由于每一种仪器只具有一定限度的准确度，由此观测的数据必然带有误差。同时，仪器本身也有一定的误差，如GPS接受机所采集的数据存在着仪器的误差。3.环境环境对RTK影响的因素主要有地形、基准站与流动站之间的障碍物、平面覆盖、多路径误差、电波干扰等。测量时的外界条件，如温度、湿度、风力、大气折光等因素和变化都会对观测的数据直接产生影响。
14、特别是高精度的测量，更重视外界条件产生的观测误差。例如。GPS接收机所接收的是来自2万千米高空的卫星信号，经过电离层、大气层都会发生信号延迟产生的误差。4.观测方案观测方案对RTK结果的质量和可靠性产生重大影响，观测方案的主要内容有： 基准站位置的选择、坐标系统的选择、历元数、观测次数等。5.观测者的技术和经验观测者的专业水平和经验对成果的精度和可靠性影响很大，例如：对中误差、测量天线高等，都将影响测出的全部坐标。由于观测者的感觉器官的鉴别能力有一定的局限，所以在仪器的操作过程中也会产生误差。同时，观测者的技术水平和工作态度也是对观测数据质量有直接影响的重要因素。6.其他因素由于RTK作业方式
15、特殊，有特有的误差影响，同时RTK作业实时快速，但缺少必要的检核条件，所以测量成果也存在着不可靠性3。其主要影响因素如下： （1）转换参数的影响。由于GPS 测量采用WGS284坐标系统，而我国目前所采用坐标系统为1954年北京坐标系（或1980国家大地坐标系、地方坐标系统等） ，高程基准为1956年黄海高程系（或1985国家高程基准），所以GPS RTK测量时必须先求解转换参数，以便将WGS284坐标转到地方坐标（或1954年北京坐标系、1980 国家大地坐标系等，下同）。转换参数的求解是RTK测量的基础，转换参数的精确程度是影响RTK测量精度的关键因素。 （2）测量作业的控制区域。测量作业
16、范围受转换控制点的约束，一般应在转换控制点的控制圆区域内作业，否则测量精度就大受影响。（3）卫星信号的影响。GPS是通过卫星来定位的，卫星信号的接收是GPS定位的基础。GPS测量要求基准站和流动站的天线能同时接收到相同的5颗或5颗以上的卫星信号，才能保证正确解算。由于卫星分布随时间变化而变化，不同时段卫星数量和位置都不同。在卫星数量较多和位置图形较佳时，天线接收信号较好，初始化时间就短，精度较高；反之，即使天空中有5颗以上的卫星，但由于基准站和流动站没能同时接收到足够的卫星信号，使初始化时间很长，测量精度很差，甚至不能解算出固定解。同时，由于基准站或流动站选择位置不当，会使部分卫星信号被高楼等
17、建筑物阻挡，出现卫星数量不足；或卫星信号被周围物体反射再接收而产生“多路径效应”，使测量出现错误。（4） RTK基准站数据链传输的影响。因RTK测量时要求基准站GPS接收机实时地把观测数据和基准站已知数据通过无线电发射，传输给流动站GPS接收机，所以无线电信号的传输在RTK测量中至关重要。但无线电的数据链信号在传输时容易被高楼、山峰等阻挡，也可能被其他电磁波干扰或出现信号异常，所以对RTK流动站的电台接收RTK测量的可靠性影响很大。（5）流动站方式影响。流动站一般有对中杆和三脚架两种方式。使用对中杆方便，但天线不固定，精度起伏大；使用三脚架稍繁琐，但精度稳定。（6）电源的影响。如果电量不足，不
18、但影响卫星信号和无线电数据的接收，产生不可靠的坐标数据，甚至可能无法开展RTK测量。RTK外业观测方法和精度分析将基准站选择在测区中央时，到达测区内各个点的基线长较均匀，则其误差分布也较均匀，将基准站选择在测区边缘时，则离基准站远的地方精度就不如离基准站近的，因为RTK是靠无线电传输数据的，受基线长度影响，而且距离越远其中间的干扰因素就有可能多。以下数据是分别将基准站选择在测区中央和测区边缘的GPS RTK观测数据和坐标真值的比较，平面坐标为一级GPS静态平差数据，高程为四等水准高程）。 表3-1 基准站选在测区中央 点名X坐标(m)Y坐标(m)H(m)高程I-196805.868605320
19、.7872.501I-296624.513605309.4122.166I-396675.391605510.5652.251I-496717.841605755.6952.541I-597035.261605530.8763.361 表3-2 基准站选在测区边缘 点名X坐标(m)Y坐标(m)H(m)高程I-196805.791605320.8132.536I-296624.531605309.4252.173I-396675.374605510.5792.259I-496717.862605755.7102.556I-597035.269605530.8593.371 表3-3坐标真值 点名
20、X坐标(m)Y坐标(m)H(m)高程I-196805.875605320.7962.517I-296624.506605309.4012.151I-396675.3975605510.5632.245I-496717.848605755.69152.533I-597035.252605530.88453.350通过采集数据比较，当基准站选在测区中央时精度较高。当基准点选在测区中央时，在测量过程中，每个点基线长都在作业半径内，采集数据快且误差分布均匀，点的观测精度相对就高。当对某个量进行重复观测时就会发现，这些测量值之间往往存在一些差异。例如观测一个平面三角形的三个内角，就会发现其观测值之和不等
21、于180，这种在同一个量的各观测值之间，或在各观测值与其理论上的应有值之间存在差异的现象，在测量工作中是普遍存在的。在GPS RTK施测过程中，应两次观测取平均值，即双基准站的方法进行测量既可提高精度，又可确保成果的可靠性。提高精度和可靠性的措施1. 转换参数的合理求解一般转换参数求解时，尽量用高等级的控制点作为转换控制点，且转换控制点尽量分布均匀、包含整个测区。如果待测区域没有足够的转换控制点，最好先布设转换控制点，用静态方式一起测量，平差求出所需的WGS284坐标和地方坐标。2. 基准站的选择因需要接收足够的卫星信号和发射RTK无线电数据链,基准站上空应无大面积遮蔽和影响数据链通讯的无线电
22、干扰，并避免多路径效应，因此RTK基准站点位应选择在视野开阔的建筑物顶部或地势较高处，避开电视、电台发射塔、微波站、飞机场、高压线、和大面积水域等。实践表明，一个地区经常使用的RTK流动站，最好做成强制归心礅，并做好电台发射天线的辅助竿和仪器安放箱，方便RTK作业，又便于利用原有转换参数和坐标成果，提高RTK精度。3. 流动站方式的选择除了地形地貌测量和放样外，对控制点和其他可选择位置的待测点，流动站应与基准站一样，选择合适的位置，避免卫星信号和数据链通讯的影响及多路径效应的产生。4. 作业时段选择为使RTK作业时能接收到足够多卫星信号,作业前,先要查看卫星数量和位置情况,选择最佳的时段进行R
23、TK作业。同时,为减小电离层、对流层影响,应避开14:00:00左右时段。5. 电源供应每次RTK测量前,需电源充足,保证RTK作业顺利进行,基于原子构件的站点计数设计。如果是固定的基准站电台,还可以用交直流转换稳压器代替汽车电瓶。6.多基准测量为保证RTK测量精度的可靠,在同一地区,可以建立多个固定的基准站点,并统一求解转换参数和基准站点的WGS284坐标。在RTK测量过程中,对同一待测点,用不同基准站点分别测量坐标,在限差范围内求均值。7. 测前测后的控制点检验为保证RTK测量的可靠性，建议在每个基准站点附近设立几个检验控制点，每次RTK作业前，在架好基准站并流动站初始化后，就测试检验控制
24、点，以判断卫星信号的正常情况和仪器的操作是否正确；在每次RTK后，需测试检验控制点，再次检测卫星信号的正常情况， 来判断前面所测点位的可靠性。四、RTK 的作业过程 1、启动基准站将基准站架设在上空开阔、没有强电磁干扰、多路径误差影响小的控制点上，正确连接好各仪器电缆，打开各仪器。将基准站设置为动态测量模式。2、建立新工程，定义坐标系统新建一个工程，即新建一个文件夹，并在这个文件夹里设置好测量参数如 椭球参数、投影参数等。这个文件夹中包括许多小文件，它们分别是测量的成 果文件和各种参数设置文件，如*.dat、*.cot、*.rtk、*.ini 等。3、点校正 CPS 测量的为 W CS 一 8
25、4 系坐标，而我们通常需要的是在流动站上实时显示 国家坐标系或地力独立坐标系下的坐标，这需要进行坐标系之间的转换，即点校 正。点校正可以通过两种方式进行。 (1)在已知转换参数的情况下。如果有当地坐标系统与 W CS84 坐标系统的转换七参数，则可以在测量控制器中直接输入，建立坐标转换关系。如果上作是在 国家大地坐标系统下进行，而且知道椭球参数和投影方式以及基准点坐标，则可 以直接定义坐标系统，建议在 RTK 测量中最好加入 1-2 个点校正，避免投影变形 过大，提高数据可靠性。 (2)在不知道转换参数的情况下。如果在局域坐标系统中工作或任何坐标系 统进行测量和放样工作，可以直接采用点校正方式
26、建立坐标转换方式，平面至少 3 个点，如果进行高程拟合则至少要有 4 个水准点参与点校正。 4、流动站开始测量 (1)单点测量：在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”, 再选择“测量点”选项，即可进行单点测量。注意要在“固定解”状态下，才开始测量。单点测量观测时间的长短与跟踪的卫星数量、卫星图形精度、观测精度 要求等有关。 当“存储”功能键出现时， 若满足要求则按“存储”键保存观测值， 否则按“取消”放弃观测。 (2)放样测量：在进行放样之前，根据需要“键入”放样的点、直线、曲线、 DTM 道路等各项放样数据。 当初始化完成后，在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”,再选择“放样”选项，即可进行放样测量作业。 在作业时，在手薄控制器上显示箭头及目前位置到放样点的方位和水平距离，观测值只需根据箭头的指示放样。当流动站距离放样点就距离小于设定值时，手薄上显示同心圆和十字丝分别表示放样点位置和天线中心位置。当流动站天线整平后，十字丝与同心圆圆心重合时，这时可以按“测量”键对该放样点进行实测，并保存观测值。 图4-1RTK系统数据流程图 5、 RTK应用实例