测绘仪器

GPS 即全球定位系统,80 年代主要是基于载波相位差分的静态测量,要得到可靠的解向量,通常需要观测一二个小时甚至更长时间。随着GPS 应用技术的发展,又出现了GPS快速定位技术(快速静态、动态、伪静态) 。当基线长度小于15 km时,GPS 快速定位技术可在较短的时间内达到厘米级的定位精度,具有“短、平、快”的优点。然而,观测时需要对已知数据点进行各种各样的初始化,对卫星几何条件及卫星跟踪都有较高要求,而且只能通过事后数据处理得到测量结果。为缩短观测时间,提高工作效率,在小范围测量中,又逐渐提出了一种新技术—实时动态测量RTK(Real Time Kinematic) 技术。

RTK技术简介

RTK技术是基于载波相位观测量的实时动态定位技术,一般由基准站、移动站、数据通讯链3 部分组成。其工作原理是:基准站接收机→调制器→发射电台→转发器→接收电台→解调器→移动站接收机。基准站和移动站同时接收GPS卫星定位信息。通过差分数据链,移动站接收基准站发送的GPS数据,结合自身采集的GPS 数据进行实时处理,在1s内以厘米级的精度给出移动站的点位信息。通过OTF (On The Fly) 实时处理算法,移动站在动态环境下可进行初始化处理,无需在已知点上进行初始化。RTK 测量必须有伪距和相位观测值(最好带双频P 码,有利于实时快速解求模糊度) 。

RTK测高试验与精度

1、试验基本情况
RTK测量和解算是在WGS84 坐标系中进行的,实时给出的高程为大地高。我国采用的高程为正常高,在实际应用时还需将大地高转换为正常高。因此,RTK的应用范围,RTK技术确定正常高的精度和可靠性,以及将大地高转换为正常高时采用的方法等都是人们十分关心的问题。为此我们在小浪底库区进行了RTK实地测量。为了解平原地区情况,又在郑州郊区黄河花园口大堤选取部分试验点,试验点高程范围为98.856～314.053 m ,移动站至基准站间距离为0～10.49 km。试验点均经快速静态布网测量,并经过平差,得到了WGS84 大地坐标和大地高成果。试验之前对所有试验点进行了四、五等水准测量。RTK试验所用仪器为Trimble4000SSE(OTF) 。仪器实时动态(RTK) 标称精度:水平 ,垂直20 mm + ;快速静态标称精度:水平 ,垂直。D 表示测量基线的距离。

2、RTK标称精度试验

为了检验RTK的精度,选择了两个相距17.478 m 的固定点分别设立基准站和移动站,在完成初始化之后,进行了连续24 h 的观测,每间隔5 min 采集一次定位数据。经过对292 个采样点的误差统计,得观测值(高程) 的平均值为93.895 m ,标准差为8 mm ,最大值为93.921 m ,最小值为931866 m。292 个数据中误差小于20 mm 的数据占97.9 % ,最大误差为29 mm。按不同的VDOP(VDOP 为高程精度衰减因子,它是反映GPS 卫星空间几何分布对高程影响的指标) 值分级的统计误差,见表1 ,接收不同卫星数目的误差统计如表2 。

由表1 、表2 可以看出:

• 在RTK完成初始化之后,其测高精度已达到了仪器标称精度。
• 受卫星分布影响,随着VDOP值的增大,标准差有增大的趋势。当VDOP < 2 时,观测数据最优;当2 ≤VDOP ≤4 时,标准差与VDOP < 2 时无显著差别。当VDOP > 4 时,标准差明显增大,但仍优于标称精度。
• 接收卫星数目为6～9 颗的情况下,标准差变化不显著,当接收卫星数为5颗时,标准差明显增大,但仍能达到标称精度指标。

3、快速静态与RTK两种模式测量精度对比分析为对仪器性能及计算方法的可靠性进行检验,使用野外试验资料,以移动站所采集的WGS84 大地高和基准站WGS84大地高求差,分别计算快速静态和RTK成果的大地高高差ΔH静和ΔHRTK。设两种方法测得的高差之差为Δh1 ,则有:

Δh1 = ΔHRTK - ΔH静(1)

式中:ΔHRTK为RTK移动站相对于基准站的大地高高差;ΔH静为快速静态相对于基准站的大地高差。对野外实测点进行统计可求得RTK 的平均误差为- 0.5mm ,标准差为29.5 mm ,最大值为81 mm。RTK 所测高差与GPS 快速静态所测高差之差Δh1 与基准站到移动站间距离L的关系见图1 。

由图1 可见,RTK 测量高差与快速静态测量高差成果无系统误差。由误差传播定律可得:

m2Δh1= m2ΔHRTK+ m2ΔH静(2)

式中: mΔh1为两种观测方式的标准差; mΔHRTK、mΔH静分别为RTK、快速静态测量误差标准差。将mΔh1、mΔH静值代入(2) 式(距离按平均值L = 3km计) ,可解得mΔHRTK为2710mm ,与仪器标称精度相当。因此,可以认为仪器在进行大地高高差测量时达到了标称精度,该试验方法正确,操作符合作业要求,数据成果可靠。

4、利用参数转换求得的高程精度分析

使用RTK测量前,按布尔莎参数模型解算WGS84 坐标与北京54 坐标和85 高程系的转换参数。每采集一点, 获得WGS84 坐标的同时也得到了该点的北京54 坐标和85 系统高程。统计由转换得到的85 高程和水准测量85高程之差Δh2,可求得误差平均值为46.0mm ,标准差为70.3mm ,最大误差为221.0mm。Δh2与距离L的关系见图2 。由图2可以看出:在小范围(4km) 内,两种方法测得的高程之差小于50mm ,而且随距离无显著变化;当距离大于4km后,误差随着距离的增大而增大,并且存在系统偏离;当距离达到10km 时,差值达到200mm。

5、RTK拟合水准

根据测区已知资料,绘制高程异常等值线图。可以查得试验点的高程异常ζ。用式(3) 进行水准拟合:

h拟合= H84基+ΔH - ζ (3)

式中: h拟合为点位拟合水准; H84基为基准站WGS84大地高;ΔH 为RTK测得的移动站与基准站高差。将拟合85高程与水准85高程建立对比系列,统计得平均误差为- 518mm ,标准差为28.0 mm ,最大误差为74mm。85高程和拟合高程之差Δh3与距离L的关系见图3。从图3可以看出,拟合RTK高程的误差随距离无明显变化。

结论

• RTK测高精度能够达到仪器标称精度,数据可靠。若选择在VDOP < 4、可用卫星为5 颗以上的情况下进行观测,可提高观测精度。
• RTK测量结果直接通过布尔莎模型转化为正常高系统可能会出现较大误差,在工程中一般不直接应用。
• RTK测量高差通过布尔莎模型转化后,仍为大地高高差,经高程拟合消除高程异常后,所得正常高可以达到五等水准测量精度,满足水库河道淤积测量的精度要求。
• 由于RTK 大地高测量精度较高,RTK 水准测量精度很大程度上取决于高程拟合模型的改正精度。因此,为提高RTK高程测量的精度,应视测区情况合理布设水准点,建立适合本测区特点的水准拟合模型是RTK高程测量需认真解决的关键问题。

信息标题：RTK测高试验与精度分析

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