GPS RTK技术及其在生态环境建设方面的应用研究

【摘　要】　本文论述了GPS RTK技术应用中的关键问题，可供RTK应用者参考。

【关键词】　RTK技术 测量精度 误差分析 生态环境

　　1、RTK技术

　　差分GPS定位技术是一种高效的定位技术，它是利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站，另一台用来测定未知点的坐标——称移动站，基准站根据该点的准确坐标求出其到卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站，移动站根据这一改正数来改正其定位结果，从而大大提高定位精度。 RTK（Real Time Kinematic）技术是载波相位差分技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，它又分为修正法和差分法，修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站，改正移动站的接受到的载波相位，再解求坐标，也称准RTK。差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站，进行求差解算坐标，也称真正的RTK。
　　　　　　　RTK工作原理及模式

　　RTK的关键技术主要是初始整周模糊度的快速解算，数据链的优质完成—实现高波特率数据传输的高可靠性和强抗干扰性。

　　2、RTK正常工作的基本条件：

　　2.1　基准站和移动站同时接收到5颗以上GPS卫星信号。
　　2.2　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。
　　2.3　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。

　　3、RTK的精度

　　RTK技术采用求差法降低了载波相位测量改正后的的残余误差及接收机钟差和卫星改正后的残余误差等因素的影响，使测量精度达到厘米级，一般系统标称精度为1CM+2PPM。工程实践和研究均证明RTK能达到厘米级精度
　　3.1　RTK的平面精度：通过对徕卡350RTK的研究表明：A、数据链信号接收半径超过15公里，但RTK测量结果只在4公里的范围内保持了较高精度（用全站仪检查其中误差在5CM 以内），4公里以外的测量结果误差明显增大，测量结果不可靠。B、 接收到的卫星数目越少，测量结果标准差越大，但只要能接收到5颗以上卫星，得出的固定解就能达到仪器标称精度。
　　3.2　RTK的测高精度：为检验Trimble4000SSE（OTF）（标称精度为垂直20MM+2PPM），通过292个点的观测误差分析，得出
　　（1）高程观测平均值为93.895M，标准差为8MM。最大值为93.921M，最小值为93.866M，有97%的数据中误差小于20MM。即RTK的固定解能达到仪器标称精度。
　　（2）当VDOP<2时，观测结果最优，当VDOP＞4时，标准差明显增大，但仍优于标称精度，可见卫星分布对高程精度有影响，但影响不大。
　　（3）当接收卫星数目超过6颗时，标准差变化不显著，当接收卫星数目为5颗时，标准差明显增大，但仍优于标称精度。
　　（4）可见，只要接收卫星数目超过5颗，VDOP<4，能得出固定解，这种RTK就能达到测高标称精度。
　　（5）北京一家公司在2000年对ASHTECH轨迹GPSRTK系统进行测试，结果表明，RTK测得的X、Y平面坐标同精确值之差的平均值为4-9MM；高程同精确值之差的平均值，边长小于5KM时约13MM，边长10KM时约37MM；距离同精确值之差的平均值为3MM；

　　4、RTK数据链的传输特性及RTK适用范围

　　要使RTK连续快速地获得固定解，就必须使RTK移动站连续、可靠、快速地接收到基准站发来的数据链信号，数据链传输的高可靠性和强抗干扰性主要受地形地势的影响。目前，RTK系统的数据传输多采用超高频（JHP）和高频（HF）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

　　[1]采用30W电台
　　目前，在国际测绘领域的RTK应用中，无论单频和双频RTK系统，都采用UHF电台播发差分信号。UHF是超短波，若基准站的发射天线和流动站的接收天线均没有足够的高度，超短波沿地球表面绕射传播，这样，电磁波在传播过程中不断被地面吸收而迅速衰减，严重地限制了RTK的有效工作半径；若基准站的发射天线和流动站的接收天线均有一定的高度且在直视距离内，超短波将以直线波和地面反射波组成的相干传播方式传播，使RTK的有效工作半径大大增强，一般可达15KM ，最大可达40多KM，但是，如果基准站的发射天线和流动站的接收天线由于障碍物阻隔不在直视距离内时，情况就较为复杂，在城镇的密楼区，基准站的发射天线和流动站的接收天线在不能直接通视时主要靠反射波取得改正数据，这样，RTK的有效作业半径就会很小，有时只有几百米。在野外，如果障碍物是树林等电磁波可以有效穿透的物体时，数据链可正常传输；如果障碍物是较低的山体，流动站的接收天线可能接收到从障碍山体绕射过来的电磁波和从旁边较高山体反射过来的电磁波，这样RTK能正常工作，实验表明有时障碍山体后面的电磁波场强由于多路信号迭加而增强。如果障碍物是很高的山体，电磁波的绕射和反射性能不发挥作用，则RTK不能正常工作。因此，为了接收到基地站播发的差分信号要求基地站和移动站之间的天线必须满足“电磁波通视”—即电磁波能从基准站通过直射、绕射和反射等传播方式有效地到达移动站，这样在平坦地区的几公里范围内，一般都能顺利进行RTK测量。但在其他地区如果数据链不能正常传输（即使能同时接收到5颗以上有效卫星），则难以成功实施RTK测量。在这种条件下，进行RTK没量时，可采取下列解决办法：
　　（1）　把RTK的基准站布设在RTK有效测区中央最高的控制点上。
　　（2）　使用高增益天线及高灵敏度接收机。
　　（3）　提高基准站和流动站天线的架设高度， 流动站天线可采用长垂准杆架设以保证成果精度。
　　（4）　缩短各点到基地站的距离，使其能满足“电磁波通视”，在地形、地物遮挡时，另增设中继站。
　　但是，这些措施在外业时将增加很多困难，因此，采用RTK技术要求CM级定位精度时，一般都限定移动站至基地站的距离为几公里。

　　5、RTK的误差特性及控制方法

　　5．1　RTK定位的误差，一般分为两类：
　　（1）　同仪器和干扰有关的误差：包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素。
　　（2）　同距离有关的误差：包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。
对固定基地站而言，同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同距离有关的误差将随移动站至基地站的距离的增加而加大，所以RTK的有效作业半径是非常有限的（一般为几公里）。
　　5．2　同仪器和干扰有关的误差
　　（1）　天线相位中心变化
　　天线的机械中心和电子相位中心一般不重合。而且电子相位中心是变化的，它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。天线相位中心的变化，可使点位坐标的误差一般达到3-5CM。因此，若要提高RTK定位精度，必须进行天线检验校正，检验方法分为实验室内的绝对检验法和野外检验法。
　　（2）　多路径误差
　　多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为几CM，高反射环境下可超过10CM。多径误差可通过下列措施予以削弱： A、选择地形开阔、不具反射面的点位。B、采用扼流圈天线。C、采用具有削弱多径误差的各种技术的天线。D、基地站附近辅设吸收电波的材料。
　　（3）　信号干扰
　　信号干扰可能有多种原因，如无线电发射源、雷达装置、高压线等，干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。为了削弱电磁波幅射副作用，必须在选点时远离这些干扰源，离无线电发射台应超过200米，离高压线应超过50米。在基地站削弱天线电噪声最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周跳和信噪比。
　　（4）　气象因素
　　快速运动中的气象峰面，可能导致观测坐标的变化达到1~2DM。因此，在天气急剧变化时不宜进行RTK测量。
　　5．3　同距离有关的误差
　　同距离有关的误差的主要部分可通过多基准站技术来消除。但是，其残余部分也随着至基地站距离的增加而加大。
　　（1）　轨道误差
　　目前，轨道误差只有几米，其残余的相对误差影响约为1PPM，就短基线（<10KM）而言，对结果的影响可忽略不计。但是，对20-30KM的基线则可达到几厘米。
　　（2）　电离层误差
　　电离层引起电磁波传播延迟从而产生误差，其延迟强度与电离层的电子密度密切相关，电离层的电子密度随太阳黑子活动状况、地理位置、季节变化、昼夜不同而变化，白天为夜间的5倍，冬季为夏季的5倍，太阳黑子活动最强时为最弱时的4倍。利用下列方法使电离层误差得到有效的消除和削弱：利用双频接收机将L1和L2的观测值进行线性组合来消除电离层的影响；利用两个以上观测站同步观测量求差（短基线）；利用电离层模型加以改正。实际上RTK技术一般都考虑了上述因素和办法。但在太阳黑子爆发期内，不但RTK测量无法进行，即使静态GPS测量也会受到严重影响，太阳黑子平静期，小于5PPM。
　　（3）　对流层误差
　　对流层误差同点间距离和点间高差密切相关，一般可达3PPM。为了保证RTKCM级精度，要对测站有关的误差一起模拟。
　　目前，常用的单、双频RTK系统的数据链电台多为美国PCC公司35W（基地站）和2W（移动站）电台。实验表明，当两山顶之间能通视，距离为40多KM时，也可收到差分信号。但是，移动站在城镇区作业时，如两点之间有房屋遮挡，即使相距1KM也很难收到差分信号。因此，国际上将RTK技术通常只用于几公里范围内、两点之间能电磁波“通视”的坐标测量。

　　6、RTK技术的测量速度

　　RTK技术的测量速度主要由初始化所须时间决定，初始化所须时间又由RTK技术差别（各种机型有不同的快速解算技术）、接收卫星的数量和质量、RTK数据链传输质量等因素决定，快速解算技术越先进，在一定的高度角下接收到的卫星数量越多、质量越好，RTK数据链传输质量越高，初始化所须时间就越短。在良好的环境条件下，RTK初始化所须时间一般为几十秒，；不良环境条件下（尚满足RTK基本工作条件），技术先进的RTK也需要几分钟到十几分钟，其他机型RTK需要几十分钟甚至不能测量。如美国ASHTECH生产的Z-X双频RTK在良好的环境条件下，初始化所须时间为2-10S，在不良环境条件下，仍能较顺利地进行RTK测量，主要是这种机型拥有先进的Z-跟踪专利技术、快速RTK（INSTANT-RTK）技术和多路径消减专利技术，试验表明，即使测区内有一部分地方环境恶劣，其观测值点位中误差仍在±2.41CM以下。

　　7、RTK测量成果的质量控制

　　研究表明，RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%， RTK比静态GPS还多出一些误差因素-如数据链传输误差等。因此，和GPS静态测量相比，RTK测量更容易出错，必须进行质量控制。 质量控制的方法主要有：（1）已知点检核比较法--即在布测控制网时用静态GPS或全站仪多测出一些控制点，然后用RTK测出这些控制点的坐标进行比较检核。发现问题即采取措施改正。（2）重测比较法—每次初始化成功后，先重测1-2个已测过的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。（3）电台变频实时检测法—在测区内建立两个以上基准站，每个基准站采用不同的频率发送改正数据，流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据从而得到两个以上解算结果，比较这些结果就可判断其质量高低。以上方法中，最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有 控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果， 电台变频实时检测法的实时性好，但它需要具备一定的仪器条件。

　　8、GPS　RTK技术优点：

　　8．1　作业效率高。在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4KM半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。
　　8．2　定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4KM），RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。如Ashtech的 Z-X RTK的点位精度可由于优于2.5CM。
　　8．3　降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，和传统测量相比，PTK技术受通视条件、能见度、、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。使测量工作变得更容易更轻松。
　　8．4　RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。
　　8．5　操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其他测量仪器通信。

　　9、RTK的不足及其解决办法：

　　9．1　受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及密集森林区，城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可由选择作业时间来解决。
　　9．2　天空环境影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。在南宁郊区，我们做过试验，在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量，上午11点之前和下午3：30分之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。
　　9．3　数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制，另外，当RTK作业半径超过一定距离（一般为几公里，每种机型在不同的环境又各不相同）时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，工程实践和专门研究都证明了这一点。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。
　　9．4　初始化能力和所需时间问题。在山区，一般林区，城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多，容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。解决这类问题的办法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK机型，如拥有先进技术的ASHTECH Z-X双频RTK测量系统，它能够在困难条件下快速初始化而获得厘米级精度。
　　9．5　高程异常问题。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。
　　9．6　电量不足问题。RTK耗电量较大，需要多个大容量电池、电瓶才能保证连续作业，在电力供应缺乏的偏远作业区受到限制。
　　9．7　精度和稳定性问题。RTK测量的精度和稳定性都不及全站仪，特别是稳定性方面，这是由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。不同质量的RTK系统，其精度和稳定性差别较大。要解决此类问题，首先要选用精度和稳定性都较好的高质量机种，然后，要在布控制点时多布置一些“多余”控制点，作为RTK测量成果质量控制的检核点。

　　10、RTK的优化布测方法

　　10．1　摸清仪器特性。通过在各种条件下反复试验，摸清仪器各种特性，如能否达到标称精度，在各种条件下的测量误差和作业半径，摸清仪器的稳定性和各种条件下的初始化能力及所耗时间等等。以便应用时得心应手。
　　10．2　布控制点。控制点主要布置在制高点上用来设置基准站，以利于接收卫星信号和数据链信号，控制点间距离应小于RTK有效作业半径的2/3倍。为方便对RTK测量成果进行控制检核和避免出现作业盲点，应在测区内环境不良地区增设一些控制点。控制点的选点还要避免无线电干扰和多路径效应，
　　10．3　目标点施测。
　　10．3．1　第一个观测点应是控制点或已知坐标点，以检核第一个RTK测量结果是否精确。实践表明，开始RTK测量的第一个成果检核很重要，如果忽略了这一步，可能造成整天的测量成果作废。它可以发现很多问题，如输入的控制点坐标、坐标系统、设置参数有误，卫星状况不佳，太阳黑子爆发。
　　10．3．2　第一个观测点如果找不到已知坐标点，则应该在基准站附近施测得出第一个固定解成果，用罗盘仪和距离反算法检核成果精度和可靠性。
　　10．3．3　在整个测量过程中都要注意质量控制检验，方法如上所述，还可利用原有大比例尺地图，检验其山顶点的高程，圈出未能进行RTK测量的盲点。
　　10．3．4　解决盲点。如果盲点地区至盲的主要原因是数据链信号接收问题，首先可提高基准站和流动站天线的架设高度， 流动站天线可采用长垂准杆架设以保证成果精度。若不行再考虑搬站；如果盲点地区至盲的主要原因是接收卫星状况不良，则应该在盲点周围加测根控制点，以便用全站仪补测。
　　10．3．5　选择作业时段。一般中午时分不易进行RTK测量，或者测量效率很低，所以要早出工，晚收工，利用良好时段进行RTK测量，不仅效率快，而且精度高。

　　11、在生态环境建设方面的应用

　　生态环境规划和建设往往碰到地形复杂，区域面积较大，定位困难等难题，利用以往传统定位方法需多次搬站，操作过程复杂，适应性差，利用RTK技术可使这类问题得到很好地解决。
　　11．1　生态环境建设规划方面：利用RTK所测出的三维数字地形图建立规划信息系统（GIS），直接在计算机上设计，精度非常高，既可节省人财物力，又可提高设计质量，还可作出资源信息统计和智能化分析，作出后续管理。
　　11．2　在划定地类界方面。在自然保护区建设管理。森林分类经营。天然林保护。退耕还林还草等生态工程的调查，规划设计，监督施工，监测和预测过程中，都可以利用RTK技术进行高效、快速、精确地划定各种地类界。
　　11．3　工程应用。在完成水土保持和生态工程的施工放样。施工监理和施工验收工作时，利用RTK技术比传统方法提高工效2倍以上。

　　12、结语

　　实践证明：（1）GPS　RTK作业模式，能进一步提高测量作业效率，降低了劳动强度，节省了测量费用，使测量变得更轻松容易。和静态GPS技术相比，RTK又前进了一大步，实现了质的飞跃。（2）RTK的关键技术是整周模糊度的快速解算和数据链的传送技术，这些技术的不同表现出各种机型功能质量高低的差异，RTK系统的质量越高，其初始化能力越强，受环境的限制越小，所需时间越短；精度越高；作业半径越大，因而效率也就越高。（3）RTK实际作业时的关键问题是“选择”，包括选择机型，选择基准站控制点和作业时段，选择卫星高度角和数据链频率。（4）GPS RTK技术的强大功能与潜力尚未充分挖掘，与GIS集成、实时控制、综合自动化作业是其未来的发展方向，随着科技的不断进步，精度更高，初始化速度更快，环境限制性更小，抗干扰性更强的RTK系统将会很快出现。RTK在生态环境建设方面的应用就将更广泛。

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