GPS-RTK技术在地籍测量中的应用研究

   GPS-RTK技术介绍


    GPS是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，从军事方面发展起来的。出于军事目的，它提供两种服务即标准定位服务SPS和精确定位服务PPS。前者用于民用事业，后者为美国军方服务。美国政府为限制非军事用户和其他使用GPS的精度，分别在1991年和1994年实施了“SA”技术和“AS”技术，即“有选择可用性”技术和“反电子欺骗技术”，使SPS服务水平定位精度降低到100米，而在密码保护下的PPS服务精度提高到1米。


针对美国实施的“SA”技术，各国纷纷采用技术对策，出现了差分GPS即DGPS。“差分”概念的提出几乎可以完全消除“选择可用性”带来的误差。它利用某些地面发射站发送的已知精确位置的基准信号，将其与GPS的定位信号进行比较和修正。这样，通过建立基准通讯链方式，使GPS数据实现精确校正。而RTK动态实时差分技术，则是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。它的工作思路与DGPS相似，只不过是基准站将观测数据发送到移动站，移动站接收机再采用更先进的在机处理方法进行处理，从而得到精度比DGPS高得多的实时测量结果。


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GPS-RTK工作原理


RTK测量原理是将一台GPS接收机安装在已知点上对GPS卫星进行观测,将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上,再通过基准站电台发射出去；流动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相应观测量的同时，也通过流动站电台接收由基准站电台发射的信号，经解调得到基准站的载波相位观测量；流动站的GPS接收机再利用OTF（运动中求解整周模糊度）技术由基准站的载波相位观测量和流动站的载波相位观测量来求解整周模糊度，最后求出厘米级精度流动站的位置。这种测量方法的关键是求解起始的整周模糊度即初始化，并能始终保持。因此RTK测量除要求有足够数量的卫星（一般至少5颗才能达到地籍测量精度）和卫星具有较好的几何分布外（PDOP值应小于8），还要求基准站与流动站间的数据通讯必须良好，即“微波通视”。


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RTK的数据链覆盖范围及精度


目前，RTK的数据传输多采用UHF（超高频，300MHz-3000MHz）、VHF（极高频，30MHz-300MHz）和HF（高频，3MHz-30MHz）播发差分信号，这三种频率的特点如表1所示。

表1 三种频率信号的特点

（资料来源于《广西测绘》2003年第2期）


一般来说，低频节省能量，穿透非金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束；超高频作用范围广，传送数据速度快，但是比较耗能，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰。目前市面上带有RTK功能的GPS产品大都采用超高频。其作用距离大约服从于下列公式（这是由于地球曲率半径造成的）：


D=4.24(h1)1/2+(h2)1/2 
式中h1和h2分别是基准站和流动站电台的天线高，单位为米;D为数据链的覆盖范围的半径，单位为公里。当然这是在无障碍物遮挡和无电波干扰的理想条件下的覆盖范围,实际应用中将会有些出入。


高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，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。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。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，流动站则可随时给出厘米级定位结果，精度十分准确，像最新的徕卡GPS1200系列精度最高可达3mm+0.5ppm。

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RTK缺点及应对措施


GPS-RTK技术有着测量精度高、定位准确、操作简便等诸多优点，但是在日常地籍测量中也受到很多条件的影响和限制，这是我们工作中需要注意的。


4.1 受大气电离层影响


离地约100公里以上的高空大气十分稀薄，受太阳或宇宙线的辐射后，气体分子产生电离，形成电离层。大气电离层能使电磁波折射，反射，散射，吸收，严重影响微波通信，会吸收能量和引起信号畸变。一般说来，气温高，电离层活跃，RTK精度低，应避免在高温中测量。


4.2被工作环境干扰


微波的自身特性导致其易受相关环境干扰，如磁场，同频噪音等，因此在利用RTK技术施测时，应避免在高压线、无线电台、电视信号发射塔、移动通信基站、大型金属建筑物，强能量噪声源等附近，同时也要保证施测点位周围垂直角15度以上天空无障碍物。


4.3受卫星状况限制


根据GPS空间卫星群的均匀分布，任何时间和任何地点地平线以上可以至少接收到4颗GPS卫星发送出的信号，但如想得到稳定的测量精度，接收的卫星信号应达到5颗。因此，一般情况下，高山峡谷深处、密集森林区及城市高楼密布区等地区接受到的卫星信号较少，不适宜采用GPS技术测量。


4.4高层测量误差较大


用GPS技术进行高程测量时，误差较大，远达不到常规测量的精度。因为GPS技术是基于大地坐标，如果想准确的转换为海拔高程十分困难，更何况我国现有的高程异常图存在较大误差，在有些地区甚至还是空白。但是实施常规的几何水准测量有困难的地区，GPS高程测量无疑还是一种有效的测量手段。


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RTK技术在地籍测量中的应用


地籍测量是对地块权属界线的界址点坐标进行精确测定，并把地块及其附着物的位置、面积、权属关系和利用状况等要素准确地绘制在图纸上和记录在专门的表册中的测绘工作。地籍测量的成果包括数据集（控制点和界址点坐标等）、地籍图和地籍册。地籍测量主要应用GPS-RTKR的两大功能：静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息，确定地点某点的三维坐标；动态功能是通过卫星系统，把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。


5.1控制测量


传统的控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，且精度分布不均匀，在外业中也不知精度如何，采用常规的GPS静态测量，在外业测量过程中不能实时知道定位精度。外业完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来进行控制测量，在测量过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测，这样可以大大提高作业效率。


5.2土地利用动态测量


主要包括宗地测量、土地利用更新调查测量和违法用地测量等。传统的测量方法是利用已知控制点，利用全站仪逐步测量待测点，再根据解析法计算待测点坐标，都要求待测点和控制点完全通视，操作人员一般为2-3人。采用RTK技术后，仅需一人背着仪器到要测的待测点或特征点上停留一二秒钟，同时输入特征编码，把一整个区域或宗地测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的图幅。如配合电子手簿可以测量各种地图，如铁路带状地籍图、电力线路地籍图、水利流域地籍图等专题图件。


5.3界址点放样测量


建设用地勘测定界是界址点放样测量的主要内容，工作要求是采用一定仪器把人设计好的点位在实地给标定出来。传统常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要多次来回移动目标，而且需要2-3人操作。如果点位互不通视，那么还需利用更多的已知点，程序十分复杂，工作效率很低。采用RTK技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。


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结语

实践证明，GPS-RTK具有极高的测量精度，其作业模式能进一步提高测量作业效率，降低劳动强度，节省测量费用，使测量变更更加轻松容易。

随着GPS技术特别是RTK技术的发展，各个厂家相继推出了具有自主专利技术的仪器，其初始化时间越来越短，跟踪能力也越来越强，精度越来越高，可靠性越来越好，有着良好的性价比，在测量工作中具有代替全站仪的趋势，是地籍测量的一项革命性的技术创新，它必将对传统的作业理念予以更新。

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