【文章內(nèi)容簡介】 全新的時代。 GPS 的高度自動化及其所達到的高精度和巨大的潛力，也為測繪行業(yè)帶來了巨大的變革，對測繪學的各個方面都產(chǎn)生了極其深刻的影響。且 GPS 定位技術(shù)具有：用 途廣泛、定位精度高、觀測站之間無需通視、自動化程度高、觀測速度快、全天候作業(yè)的特點 [1]。而目前的 GPS 動態(tài)差分定位 [2]， 是利用安置在一個運動載體上的 GPS 接收機以及安置在基準點上的一個或多個接收機共同測出運動載體的空間和時間狀態(tài)參數(shù)，因此差分動態(tài)定位也被稱為相對動態(tài)定位。按照對實時性要求，差分動態(tài)定位可分為，實時差分動態(tài)定位和事后差分動態(tài)定位。實時差分動態(tài)定位需要建立無線電數(shù)據(jù)傳輸通道，以保證實時地求解出載體的狀態(tài)參數(shù)；而事后差分動態(tài)定位則沒必要實時地傳輸基準站狀態(tài)參數(shù)，而是在觀測結(jié)束后進行數(shù)據(jù)處理。 隨著載波相位差分技術(shù)的成熟，使得 GPS 完成高精度定位可能實現(xiàn)，而實時的動態(tài)載波相位差分技術(shù)也就是 RTK 技術(shù)，它是實時地處理兩個觀測站上的載波相位，并實時提供觀測點的空間位置，目前研究表 RTK 測量精度可以達到厘米級。實現(xiàn)動態(tài)載波相位差分定位的方法可分為兩種，即修正法和差分法。修正法與偽距差分相同，流動站利用基準站發(fā)送的載波相位的修正量和自身接受的衛(wèi)星載波相位數(shù)據(jù)，實時求解流動站三維坐標；差分法則是流動站利用基準站發(fā)送的載波相位的觀測量和空間位置數(shù)據(jù)，實時求解流動站三維坐標。修正法其實是準 RTK 技術(shù)，差分法則是 真正意義上的 RTK技術(shù)。 隨著科技的不斷進步，一種新興的 RTK— 網(wǎng)絡(luò) RTK（ VRS）技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，西安科技大學碩士學位論文 2 VRS 的意思是虛擬參考站， VRS 不僅是 GPS 的產(chǎn)品，更是集 Inter 技術(shù)、無線通訊技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)管理和 GPS 定位技術(shù)為一體的系統(tǒng)工程。它的出現(xiàn)使一個地區(qū)的所有測繪工作成為一個有機的整體，結(jié)束了以前 GPS 作業(yè)的單打獨斗局面。它克服了 RTK技術(shù)的局限性，擴展了 RTK 的作業(yè)距離，使 GPS 技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，精度和可靠性進一步提高，使從前許多 GPS 無法完成的任務(wù)成為可能。 研究的背景及意義 研究的背景 RTK(Real Time Kinematic)實時動態(tài)定位技術(shù)，是一項以載波相位觀測為基礎(chǔ)的實時差分 GPS 測量技術(shù)，是利用兩臺或兩臺以上 GPS 接收機同時接收衛(wèi)星信號，其中一臺固定不動設(shè)為 基 準 站，其 余的為 移動站。在 RTK 工作 模式下，基 準 站通過數(shù)據(jù) 通道 將差分信號傳 送給移動站。移動站系統(tǒng) 通過組成的 差分觀測值進行實時 解算 ，同時 快速地給出 厘米 級的定位 精度 。移動站 的姿態(tài)可以為靜態(tài)和動態(tài)兩種形式 ； 可采用在 固定點上初始化后 展開 動態(tài)作業(yè)， 也可 在動態(tài) 中進行 周模糊度搜索 和 求解。在整周 模糊度求解結(jié)束后 ， 便 可 對 每個歷 元的實時處理，然后根據(jù)相對定位的原理，實時地 求解出流動站 的三維坐標 （ x， y， z） 及精度。通過實時計算的定位結(jié)果，便可監(jiān)測基準站與 流動 站測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況，從而可實時地判定解算結(jié)果是否成功，只要能保持 4 顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形， 理論上講 移動站可隨時給出 厘米級定位結(jié)果 [3]。只要滿足工作條件， 就能快速、高精度地完成定位作業(yè) 。但是 RTK 觀測數(shù)據(jù)的誤差具體多大，或者從理論來評價還值得研究，目前影響 RTK 測量精度的因素還沒有一個成型的、統(tǒng)一的、量化的理論，因此在其測量精度和作業(yè)方式 上眾說紛紜；流動站在達到同定解時手簿上顯示精度很高，但實際中并不是如此，有時偏差可達到米級，這就要求對每一個 RTK 定位成果的精度大小和可靠性進行確認?？煽啃砸话闶?RTK天線相位中心變化、多路徑效應(yīng)、信號干擾、氣象因素、軌道誤差、電離層延時誤差、對流層延時誤差、操作流程、觀測時段、整周模糊度可靠性、等的影響。同時這也是決定 RTK 能否實時、精確定位的關(guān)鍵所在，而且雖然 RTK 可以實現(xiàn)實時、準確、快速的定位，但由于測量時缺少必要的檢核條件，因此 RTK 測量真實精度能達到什么級別，必須通過分析檢驗。 研究的意 義 由于 RTK 測量缺少必要的檢核條件，加上 RTK 本身又有其局限性，比如容易受到多路徑效應(yīng)的影響，受衛(wèi)星狀況限制，在高山峽谷深處、密集森林區(qū)及城市高樓密布區(qū)，衛(wèi)星信號被遮擋時間較長，使一天中可作業(yè)時間受到限制；比如還受到環(huán)境因素的影響， 緒論 3 中午 GPS 受電離層干擾打大，共用衛(wèi)星少、常數(shù)據(jù)收不到所需衛(wèi)星，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行動態(tài)測量；另外， RTK 信號還受反射物 (大面積水域、大型建筑物 )、高壓線、電視臺、無線電發(fā)射站、微波站、樹林等干擾源的環(huán)境影響，這些因素都對 RTK 定位成果的精度產(chǎn)生重要的影響 ，也就導致了 RTK 的穩(wěn)定性不如全站儀，同時業(yè)內(nèi)普遍認為 RTK 只能實現(xiàn)厘米級測量精度，而許多工程測量中要求必須達到更高的定位精度（ 2cm 以內(nèi)）或毫米級的定位精度，所以 RTK 雖有十幾年的發(fā)展歷史，至今仍未在工程測量中普及使用。因此針對 RTK 的局限性，有必要對 RTK 成果在工程測量中的精度進行檢測與分析，本文將通過建立實驗?zāi)Ｐ蛯?GPSRTK 高精度測量進行實驗分析與研究，由于 RTK 測量在不同施工環(huán)境中受到多路徑效應(yīng)的影響不同，通過對正常情況下小區(qū)域 RTK 成果進行精度分析與研究，并嘗試得到正常情況下小區(qū)域 RTK 成果的 影響量化理論，并期望得到小區(qū)域工程測量中應(yīng)用 RTK 測量獲得高精度定位成果的經(jīng)驗公式和方法。 RTK 測量成果精度和可靠性不如全站儀， 是由于 RTK 的測量過程中伴隨著衛(wèi)星狀況、外界環(huán)境、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況等因素的出現(xiàn)，就目前 RTK 測量時電子手薄上的精度顯示反映出，固定解時精度顯示較高，可有時候受 RTK 的局限性影響，在某些不利環(huán)境下 RTK 電子手簿上顯示的高精度并不是完全代表 RTK 測量時的精度，這也就要求RTK 測量成果必須進行檢核，若依據(jù)接收機手薄上的精度顯示進行施工測量，可能會造成不可挽回的損失。因此，對 RTK 測量結(jié) 果的精度檢測與分析，以求在實際工程測量中達到高精度定位成果是十分重要的，也有其現(xiàn)實意義。 研究的主要內(nèi)容和目標 研究的主要內(nèi)容 本文將主要研究在已知高精度控制網(wǎng)下利用 RTK 進行測量，通過對 RTK 測量的各個環(huán)節(jié)進行分析和整理，然后對 RTK 成果進行精度檢測與分析，并最終得出 GPSRTK高精度定位的可行性論證和經(jīng)驗公式。考慮到 RTK 作業(yè)的特殊性，而 RTK 精度影響主要集中體現(xiàn)在以下幾個方面：參數(shù)求解的過程分析及改進投影過程后的參數(shù)求解、參與求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知公共點含有誤差時對最終定位精度的影響、小 區(qū)域內(nèi)最優(yōu)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解、 GPSRTK 系統(tǒng)自身對精度的影響、衛(wèi)星信號對精度的影響、流動站距基準站基線長度對精度的影響。 綜上所述本文在實驗過程中都分別做了相應(yīng)的考慮和問題的解決，同時也是論文研究的主要內(nèi)容，主要有以下幾點： （ 1）在參數(shù)求解的過程分析及改進投影過程后的參數(shù)求解方面，通過對 GPSRTK測量時平面四參數(shù)求解過程的分析，結(jié)合小區(qū)域 GPSRTK 測量時的特殊情況，對參數(shù)西安科技大學碩士學位論文 4 求解時的投影過程進行投影改進，即將 WGS84 大地坐標和地方平面坐標先都投影到測區(qū)平均高程面上，由于得到的平面坐標成果都屬同 一平面，故再進行參數(shù)求解。通過這一方法來實現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)短基線下 GPSRTK 測量時可獲得高精度的轉(zhuǎn)換參數(shù)。 （ 2）在參與求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的已知公共點含有誤差時對最終定位精度的影響方面，通過對已知公共點中含有誤差推導出測量值中所含的由已知公共點誤差帶來的誤差微分公式并通過實例進行檢驗。 （ 3）在小區(qū)域內(nèi)最優(yōu)坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方面，通過實例對小區(qū)域短基線GPSRTK 測量時的轉(zhuǎn)換參數(shù)求解時進行全部點參與計算，剔除殘差較大的點，最終得到適合本區(qū)域的最優(yōu)轉(zhuǎn)換參數(shù)，還對一定區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)換參數(shù)的最優(yōu)化解提供了論證。 （ 4）在 GPSRTK 系統(tǒng)自身對精度的影響方面，通過對 GPSRTK 測量時的平面顯示精度 HRMS、高程顯示精度 VRMS 及 PDOP 值的統(tǒng)計量和測量點與已知點的較差值進行回歸分析，得到該區(qū)域內(nèi)測量的經(jīng)驗公式。 （ 5）在衛(wèi)星信號對精度的影響方面，通過 GPSRTK 測量時的接收衛(wèi)星數(shù)與較差值進行回歸分析，得到較差值與衛(wèi)星數(shù)的關(guān)系式。 （ 6）在流動站距基準站基線長度對精度的影響方面，通過建立距離的梯度變化與RTK 點位精度變化的影響關(guān)系得出基線長度與較差值的關(guān)系式。 （ 7）對 GPSRTK 測量時的平面顯示精度、高程顯示精度、衛(wèi)星數(shù) 、 PDOP 值、距基準站的距離這些因子與較差值進行多元線性回歸分析得到該區(qū)域的 GPSRTK 測量經(jīng)驗公式并通過實例驗證。 通過對參數(shù)轉(zhuǎn)換的改進及較差值與影響因子的多元線性回歸分析與檢測研究得出RTK 高精度定位精度的經(jīng)驗公式及理論并進行工程實例的驗證，最終確定 RTK 高精度定位的可行性公式與方法。 研究的目標 RTK 測量精度結(jié)果的高低直接影響著 RTK 的運用范圍，所以 GPSRTK 測量達到更高精度的影響和推廣 GPSRTK 在工程中的實際應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。本論文研究的目標是： （ 1） 通過對實驗數(shù)據(jù)的多元 線性回歸提出削減和控制 GPSRTK 測量誤差的途徑。 （ 2）得出小區(qū)域 RTK 高精度測量定位的方法和操作流程。 （ 3）得到 RTK 測量定位精度的回歸計算公式，并對公式進行實例檢驗。 本文研究成果可推廣應(yīng)用于 RTK 施工測量工作。特別是在小區(qū)域內(nèi)短基線條件下，能更高效快速地進行施工放樣。本文對 RTK 測量的野外作業(yè)具有直接指導意義。同時，關(guān)于實驗數(shù)據(jù)處理與分析的結(jié)果對 GPS 多路徑效應(yīng)研究具有一定的參考價值。 緒論 5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鑒于 RTK 測量技術(shù)的眾多優(yōu)點，就有必要對 RTK 測量精度進行系統(tǒng)性的認識，也就是在理論與 實踐方面認識 RTK 的測量精度，并在精度分析的基礎(chǔ)上力求達到一個更高精度的需求，這樣對 RTK 定位實現(xiàn)高精度大范圍的使用有著極其重要的意義，國內(nèi)外很多學者都在致力于拓展 RTK 測量范圍的研究。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 GPSRTK 測量時，各點相互孤立，構(gòu)不成幾何圖形，缺少必要的檢核條件，成果精度的可靠性缺少驗證，很難估計，用坐標或邊長較差衡量測量成果的可靠性，具體多大的較差值才能保證其精度的可靠，沒有成型的理論指標 [4]，黑志堅等提出 RTK 測量成果的坐標檢測法精度估計和 RTK 測量成果的邊長檢測法精度估計的兩種方 法 [5]，在實際工程應(yīng)用中有理論價值和指導意義。 因為 RTK 測量時受衛(wèi)星狀況、外界環(huán)境等方面的影響，且沒有靜態(tài) GPS 測量的必要的檢核條件，因此通過 RTK 測量獲得的結(jié)果精度和可靠性需要檢驗，針對 RTK 精度的可靠性研究，很多學者研究出一些 RTK 測量成果精度分析的方法，如通過分析影響RTK 測量成果的因素，得出改善影響因素的條件來提高精度，羅滿建等通過實際工程來驗證 RTK 測量精度，采用靜態(tài)觀測值和 RTK 測量值來比較 RTK 的測量成果，來達到檢核 RTK 數(shù)據(jù)可靠性的目的 [6]，也有不少學者對數(shù)據(jù)檢驗提出了一些 其它方法，郭建東等提出的利用已知點比較法，利用高精度靜態(tài)獲得的 GPS 點的成果納入到 RTK 測量鏈中的方法進行檢驗，討論 RTK 測量點的可靠性和誤差 [7]，部分文章從 RTK 定位技術(shù)研究測量成果精度問題，如潘寶玉等文中分析如何準確求取坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，合理的安置基準站及控制 RTK 作業(yè)半徑，也可利用觀測衛(wèi)星的圖形強度的選擇等來提高 RTK 定位的精度 [8]。 朱正華等提出了五種方法對 RTK 的測量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制?？焖凫o態(tài)比較法：是在測量的同時也進行快速靜態(tài)觀測，事后對共同測量的點成果分析比較，來檢驗 RTK初始化可靠性及 RTK 測量數(shù)據(jù)鏈穩(wěn)定性，達到檢核 RTK 測量結(jié)果準確的目的。復測比較法：一方面是在遷移基準站后復測上一基準站上已測的點 13 個，并現(xiàn)場比較其測量成果，判別 RTK 測量數(shù)據(jù)鏈的可靠性，在確認無誤后，展開測量；另一方面是每次完成初始化任務(wù)后，先進行復測附近點 13 個，比對測量結(jié)果，便可確認初始化成果是否可靠，若沒有問題即可展開測量。電臺變頻法：是在測區(qū)內(nèi)架設(shè)多個基準站，各個基準站采用不同頻率的信號通道發(fā)射差分信號；流動站觀測時，可以選擇接收不同的基準站發(fā)射差分信號，可以實時對比多個成果數(shù)據(jù)，就能判斷出觀測結(jié)果的可靠性， 由于這種方法可以兼顧實時性，是 RTK 測量數(shù)據(jù)可靠性檢核的突破。而穿線比較的方法和復測西安科技大學碩士學位論文 6 比較的方法有所差別，是在測區(qū) RTK 測量工作結(jié)束后，新布測一條 RTK 觀測鏈，對測區(qū)內(nèi)的 RTK 測量結(jié)果進行質(zhì)量控制，即利用新布設(shè)測量鏈的成果判斷測區(qū)內(nèi) RTK 測量鏈是否存在質(zhì)量問題 [9]。宋良學、王傳海等不僅對 RTK 測量精度進行了分析，還對 RTK測量成果的可靠性進行研究 [10]，張子江通過靜態(tài) GPS 觀測數(shù)據(jù)檢核 RTK 觀測數(shù)據(jù)的精度 [11]，趙軍通過對 RTK 測量過程的研究，得出 RTK 工作時間受工作時間段影響 [12]。綜上所述這些學者 在為 RTK 數(shù)據(jù)結(jié)果精度的檢核和可靠性研究方面都提出了諸多可以借鑒的方法和理論，為進一步研究