浅谈实时动态RTK技术在工程测量中的应用
摘要:随着全球定位系统(GPS)技术的快速发展，RTK(Real- Time Kinematic)测量技术也日益成熟，GPS RTK技术因其精度高、实时性和高效性，使得其在城市测绘中的应用越来越广。本文结合多年的实践经验，简要分析实时GPS（RTK）动态测量的原理、网络RTK技术现状、RTK技术在测量领域中的应用和使用心得。
关键词: GPS（RTK）技术；实时动态；网络RTK技术
1 RTK技术基本原理
RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。载波相位差分方法分两类：一类是修正法，即将基准站的载波相位修正值直接发给流动站，改正流动站接收到的载波相位，然后求解流动站的实时坐标，该方法初始化速度慢，定位精度差，称为准RTK技术；第二类是差分法，即求解起始相位整周模糊度，又称RTK初始化，然后再进行实时差分，是真正的RTK技术。差分法要求基准站GPS接收机实时地把观测数据及已知数据传输给流动站接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到4颗或以上卫星后，可实时求解出厘米级的流动站位置坐标。
实时动态测量（RTK）测量的基本原理是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见的GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户流动站。在用户流动站上，GPS接收机在接收到GPS卫星的同时，通过无线电设备，也接收到基准站传输来的观测数据。然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户流动站的三维坐标及其精度。其精度就是以载波相位观测值为基础。
2 网络RTK技术
2.1 技术现状
目前网络RTK组建的主要技术有虚拟参考站技术、空间改正参数、主辅站技术，它们均能将连续运行的参考站构成台站网络，在数据中心按照各自的算法实时解算网络RTK改正数，同时发送RTK客户端，实现精确定位。
虚拟参考站技术是设法在流动站附近建立一个虚拟的参考站，并根据周围各参考站上的实际观测值算出该虚拟参考站上的虚拟观测值。由于虚拟站离流动站很近，一般仅相距数米至数十米。故动态用户只需采用常规RTK技术就能与虚拟参考站进行实时相对定位，获得较准确的定位结果，如果网络RTK的数据处理中心能按照常规RTK中所用的数据格式来播发虚拟参考站的观测值及站坐标，那么网络RTK中的动态用户就可用原来的常规RTK软件来进行数据处理。
发送区域改正参数的FKP模式网络RTK，是一种动态模型，它要求所有基准站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值，实时地传输给数据处理中心，通过数据处理中心地实时处理，产生一个称为FKP的空间误差改正数，然后将这种FKP参数通过扩展的RTCM，发送给所有服务区内的流动站，进行联合求解实时坐标。
主辅站技术是从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关的，代表整周的未知数水平观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数据播发给流动站。
2.2 连续运行参考站系统建设技术
目前国内各个城市都在积极筹划建设连续运行参考站系统，有许多城市已经建设完毕并投入运营，如:上海市连续运行参考站系统，深圳连续运行跟踪定位网络系统，成都VRS参考站网，武汉连续运行参考站系统应用天宝VRS技术，香港GPS台站网、昆明连续运行跟踪站网络。
2.3 上海GPS综合服务系统
以笔者所在的上海市为例，简要介绍上海市连续运行参考站系统及其操作流程。上海市GPS综合服务系统是由上海市地理中心于2004年开始筹划建设，2006年3月底系统全面调试完毕，7月系统开始试运行。该系统由参考站网、数据处理管理中心、用户数据中心、用户应用系统、数据联通等5个子系统组成。参考站分布在宝山区、徐汇区、崇明区、闵行区和青浦区气象站，覆盖范围达到8000km2，参考站间距离达79km；
上海连续运行参考站服务系统正式投入运行以后，它在上海化建设和基础测绘中发挥出了很大作用，减轻了测绘作业劳动强度，提高效率，节省了生产成本。目前本系统已经应用到了地下管网普查、测绘质量监督、城市大比例尺数字化地图测量、施工放样和GIS数据采集等领域。下面以网络RTK做图根控制为例，简要介绍其操作流程。
测量使用的流动站设备主要包括双频GPS接收机及天线、手簿以及数据收发用的通信链。其具体步骤包括：
1．流动站通过设置与操作采用无线通信网络，如将GPRS、CDMA连接到SHGISS中心网络。
2．流动站GPS天线保持稳定，进行初始化工作获取RTK固定解。初始化时间视卫星状况、观测环境状况及不同的接收机类型等可能会持续1～2分钟不等。
3．在待测点上得到固定解且稳定后，开始记录数据，连续记录3次结果。
4．取平均值作为该点的精确坐标。
5．如果不能顺利初始化，可移动流动站天线位置，选择观测条件好的地点进行初始化，然后返回移动到待测点上，按照步骤进行观测。
6．作业过程中如果发生初始化丢失时，需要重新稳定进行初始化工作，直至得到RTK固定解为止，按照3、4步骤进行。
3 GPS实时定位（RTK）测量在工程测量中的应用
RTK 测量技术除具有GPS 测量的优点外，同时具有观测时间短，能实现坐标实时解算的优点，因此可以提高生产效率。实时动态定位如采用快速静态测量模式，在15 km 范围内，其定位精度可达1～2 cm ，可用于城市的控制测量。RTK测量系统的开发成功，为GPS 测量工作的可靠性和高效率提供了保障，这对GPS测量技术的发展和普及，具有重要的现实意义。
3.1 控制测量
为满足城市建成区和规划区测绘的需要，城市控制网具有控制面积大、精度高、使用频繁等特点，城市Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级导线大多位于地面，随着城市建设的飞速发展，这些点常被破坏，影响了工程测量的进度，如何快速精确地提供控制点，直接影响工作的效率。常规控制测量如导线测量，要求点间通视，费工费时，且精度不均匀。GPS 静态测量，点间不需通视且精度高，但数据采集时间长，还需事后进行数据处理，不能实时知道定位结果，如内业发现精度不符合要求则必须返工。应用RTK技术将无论是在作业精度，还是作业效率上都具有明显的优势。3.2 像控点测量
像控点测量是航空摄影测量外业主要工作之一，传统的方法要布设大量的导线来测量部分平高点，内业再空三加密。采用RTK技术测量，只需在测区内或测区附近的高等级控制点架设基准站，(若测区内或测区附近无高等级控制点，可先加密) ，流动站直接测量各像控点的平面坐标和高程，对不易设站的像控点，可采用手簿提供的交会法等间接的方法测量。像控点的精度要求对于RTK测量来说是不难达到的。与传统作业相比较，它不需要逐级布设控制点;与静态GPS 测量相比，缩短了作业时间，因而大大提高了作业效率，功效至少提高3～5 倍。
3.3 线路中线放样
RTK测量技术用于市政道路中线或电力线中线放样，放样工作一人也可完成。将线路参数如线路起终点坐标、曲线转角、半径等输入RTK的外业控制器（手簿），即可放样。放样方法灵活，既能按桩号也可按坐标放样，并可以随时互换。放样时屏幕上有箭头指示偏移量和偏移方位，便于前后左右移动，直到误差小于设定的为止。
3.4 建筑物规划放线
建筑物规划放线，放线点既要满足城市规划条件的要求，又要满足建筑物本身的几何关系，放样精度要求较高。使用RTK进行建筑物放样时需要注意检查建筑物本身的几何关系，对于短边，其相对关系较难满足。在放样的同时，需要注意的是测量点位的收敛精度，如果点位收敛精度不高的情况下，强制测量则有可能带来较大的点位误差。在点位精度收敛高的情况下，用RTK进行规划放线一般能满足要求。
3.5 用地测量
在建设用地勘测定界测量中，RTK技术可实时地测定界址点坐标，确定土地使用界限范围，计算用地面积，在土地分类及权属调查时，应用RTK技术可实时测量权属界限、土地分类修测，提高了测量速度和精度。
3.6 其它方面的测量
RTK技术还可用于地形测量、水域测量、管线测量、房产测量等方面。用RTK测图，可不用布设图根控制，仅依据少量的基准点，即可直接测定地形地物点坐标，如果用专业测图软件，通过电子手簿记录即可实现数字化测图。在水下地形测量是，RTK能自动导航和按距离或时间间隔自动采点，只要将天线高量至水面，加水深改正后，即可高精度的实时测定水下地形点的三维坐标，由专业软件成图。
4 结束语
不论是传统的1+1模式的RTK还是网络RTK模式，都为我们的测量工作带来了极大的方便，能完成全站仪所不具备的工作，是对经典测绘技术的一次跨越。但RTK技术也存在一些不足与限制，比如：受卫星状况限制；数据链传输受干扰或者接收不到网络信号；精度和稳定性问题等。此等问题尚待完善，笔者通过GPS RTK在工程测量中的应用，得出如下体会：
⑴ GPS RTK作业有着较高的精度，观测速度快，已在越来越多的测量工作中得到应用，非常适合大规模的工程测量和其它测量工作。
⑵ GPS RTK作业不受通视条件影响，单站测量控制范围广，操作简单，能有效地减少了因地形复杂带来的繁重工作量。
⑶ GPS RTK测量可以大大提高工作及成果质量，它不受人为因素的影响，整个作业过程全由电脑控制，自动记录，自动数据预处理，自动平差计算。
⑷ GPS RTK采集的定位坐标数据是GWS-84坐标，如在其它坐标系统内进行RTK作业则需要求取定位坐标转换参数，转换参数质量的好坏直接影响RTK的测量精度。
⑸ GPS RTK技术受到基准站传播差分改正数有效范围的限制，在大区域实施作业时，应注意其控制的有效范围，RTK的范围尽量不超过10KM为原则，否则解算速度和精度都大受影响。
⑹为保证网络RTK测量精度，尽可能地检测一定数量的测区内和相邻的控制点进行检核；在做控制测量时需采用一些如延长测量时间、选择最佳观测时段、增加观测次数的方法来提高测量精度；同精度两次测量值的较差取2厘米以下为宜。
参考文献：
[1] 《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T18314-2009）
[2] 黄俊华，陈文森．连续卫星定位综合服务系统建设与应用．北京．科学出版社，2009.1
[3] 李元征，黄劲松．GPS测量与数据处理．武汉：武汉大学出版社，2007.1
[4] 王勇，吴俐民．网络RTK技术在城市控制测量中的试验与研究[J]，城市勘测，2006年04期
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