靜態(tài)GPS測量與RTK測量實例分析_章紅平

1、 文章編號 :0494-0911(2006 01-0028-05中圖分類號 :P258 文獻標識碼 :B靜態(tài) GPS 測量與 RTK 測量實例分析章紅平1, 2, 溫宇斌 3, 張志勇 3, 朱文耀1(1. 中國科學院 上海天文臺 天文地球動力學中心 , 上海 200030; 2. 中國科學院研究生院 , 北京 100031; 3. 嘉興市規(guī)劃設(shè)計研究院 , 浙江 嘉興 314001Analysis of Examples of GPS Static Surveying and RTK SurveyingZHANG Hong -ping , WEN Yu -bin , ZHANG Zhi -y

2、ong , ZHU Wen -yao摘要 :結(jié)合嘉興市一個四等 GPS 測量控制網(wǎng) 、 R TK 動態(tài)測量的實例 , 分析實際應(yīng)用中的若 干問題 。 數(shù)據(jù)分析 表明 :在平面 、 高程 檢核標準分離的原則下 , 嚴格控制 GPS 基線網(wǎng)中高程閉合差 , 合理選擇分布較好 、 精度較高的高程擬合點 , 可使 GP S 靜態(tài)網(wǎng)的高程 擬 合接近或達到四等水準精度 ; 動態(tài) R TK 測量中 , 采用雙基準站雙采樣 (或多采樣 的方法 , 可有效消除基準 站坐標誤差對 R TK 采 樣 點平面坐標的系統(tǒng)影響 , 削弱對流層隨機變化對 R TK 高程測量的影響 , 從而使 R TK 平面坐標 測量滿足

3、城市一 級導線測量的 需要 , 使 R TK 高程測量接近或達到四等水準測量的精度 。關(guān)鍵詞 :GP S 測量 ; R TK 測量 ; 四等控制網(wǎng) 收稿日期 :2004-09-29作者簡介 :章紅平 (1977- , 男 , 湖北黃岡人 , 博士生 , 主要從事 GPS 數(shù)據(jù)處理及工程應(yīng)用 、 GPS 氣象學 /空間天氣學 、 大地測量研究 。 一 、 引 言目前 , GPS 已廣泛應(yīng)用于精密工程測量 、 控制測 量 、 工程測量等測量工作中 。 按作業(yè)方式 , GPS 測量 可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量 。 靜態(tài)測量主要用于精 密工程測量 , 如形變監(jiān)測 、 沉降監(jiān)測 、 要求較高的橋 梁控制網(wǎng)

4、 、 城市測量控制網(wǎng)等 ; 動態(tài)測量主要是 RTK 技術(shù)的應(yīng)用 , 如施工放樣 、 地形測量 、 房產(chǎn)圖測繪 、 地 籍變更測量等 。 長期以來 , GPS 測量中基線的平面 分量精度較高 , 而高程分量精度較低 , 且一般比平面 精度低一倍左右 , 甚至更差 1, 而現(xiàn)行的規(guī)范或行業(yè) 標準中沒 有區(qū) 分這 一事 實 2, 3。 對 此 , 筆者 認為 , GPS 控制測量中 , 基線網(wǎng)質(zhì)量檢核及控制中宜采取 平面和高程檢核標準分離的方式 。 為此 , 本文結(jié)合 嘉興市一城市四等控制網(wǎng) , 進行相關(guān)的分析 。 另外 , GPS 高程擬合一直以來也是工程測量同行們比較關(guān) 心且討論比較多的問題 ,

5、 相關(guān)文獻大多集中在數(shù)學 擬合逼近大地水準面的方法上 46。 而高程擬合的 前提應(yīng) 是 GPS 高程 測量中公 共點的 W GS -84大 地 高 、 水準高準確已知 。 為此 , 本文結(jié)合平面 、 高程質(zhì) 量檢核標準分離的原則 , 探討了提高 GPS 高程擬合 精度的問題 。 另外 , R TK 技術(shù)以其實時 、 快速 、 操作 簡單而越來越受到城市測繪單位的青睞 , 很多單位 嘗試并探討 RTK 技術(shù)在高程測量 、 一級導線測量中 的應(yīng)用問題 。 對此 , 本文結(jié) 合實例 , 探討了 RTK 測 量的這類應(yīng)用問題 。 二 、 實例分析圖 1給出了嘉興市中環(huán)路四等 GPS 控制網(wǎng)以及 動態(tài)

6、RTK 測量的線路圖 。 GPS 控制網(wǎng)由 21個點組 成 , 其 中 平 面控 制 點 4個 , 分 別 是 ChenJ , NHZX , ShuiC 和 XiZhen , 分布在網(wǎng)的南北兩端和中央 ; 高程 控制點為 4個二等水準點 , 分別是 JXXY , HYL , XZZX 和 Xi M Q 。 圖 1中 , 除 8個平高控制點外 , 其他 13個 控制網(wǎng)點和 44個 RTK 測量點都進行了四等水準測 量 , 而 RTK 測量點用來作為城市一級導線測量控制 點 , 作為測圖 、 放樣 、 測竣工圖的起算點 。 整個靜態(tài) 、 動態(tài)測量均采用 TOPC ON HIPER GD 雙頻接收機

7、觀 測 。 控制網(wǎng)測量采用 3臺接收機 , 分 17個 時段完 成 , 動態(tài) RTK 測量采 用雙基準 站雙采 樣的測 量方 法 , 即每個動態(tài)點在基準站架設(shè)好以后采樣 2次 , 且 分 2次架 設(shè)不同的基準站 測量同一導線 點 。 故每 RTK 點測量了 4次 , 最終成果采用其平均值 。1. 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析基線解算采 用 PI NNACLE 軟件 , 計算分 2次進 行 :第 1次計算盡量不采用過多的人工干預(yù)的方法 , 但務(wù)必保證各同步環(huán) 、 異步環(huán) 、 重復(fù)基線閉合差達到 四等 GPS 控制網(wǎng)的規(guī)范要求 ; 第 2次計算則采用了 較多的人工干預(yù)的方法 , 通過刪除衛(wèi)星或衛(wèi)星的部 分數(shù)據(jù) 、

8、 改 變截止高度角 、 改變誤差改 正模型等方 法 , 并利用 3維無約束平差后基線向量的改正數(shù) , 綜 合分析判斷誤差較大的基線 , 重新解算并精選獨立28 測 繪 通 報 2006年 第 1期基線后 , 進行 2維平差和高程擬合 。圖 1 靜態(tài)控制 網(wǎng)和 RTK 點位分布圖 2次基線解算的獨立環(huán)閉合差 (詳見附錄 及平 差 綜 合 分 析 表 明 , 環(huán) I626-I631-I687-HYL -XI091-I625(環(huán)長 13. 4km 是整個環(huán)路中的最弱環(huán) , 點 I626, I625為最弱點 。 該環(huán)的第 1, 2次計算的閉合差 , X , Y , Z 3分量閉合差分別為 38. 2m

9、m , 100. 2mm , 55. 3mm , 16. 0m m , -49. 0m m , 3. 0m m 。 依據(jù) 全球定位系統(tǒng)城市測 量規(guī) 程 , 3分 量 的 容 許 閉 合 差 均 為 :26××10+(2×10 =109. 54mm , 故 3分量閉合差均未超出此限差 。 然而 , 依照平面 、 高程閉合差分離的 原則 , 以 I626為閉合環(huán)起點 , 按 120°中央子午線進 行高 斯投影后 , 其平面閉合 差達到 8. 6cm , 而高程 (WGS -84大地高 閉合差達到 8. 5c m 。 2種基線結(jié) 果平差后最弱點等 4個點的差異

10、如表 1。表 1中兩種方案平面坐標的差異為幾毫米 , 而 平差后 X , Y 各分量精度在 6. 010. 0mm 之間 , 故這種差異是在容許范圍之內(nèi) , 對于城市平面控制測 量而言 , 其意義不大 。表 1 兩種基線閉合結(jié)果的平差結(jié)果差異點名 X 1Y 1X 2Y 2dX /mm d Y /mm I625*2. 1648*9. 6934*2. 1707*9. 69855. 95. 1I626*8. 3088*5. 8082*8. 3127*5. 81323. 95. 0XI091*0. 9359*2. 1598*0. 9420*2. 16356. 13. 7I638*0. 1581*8.

11、6349*0. 1643*8. 63746. 22. 5 對于高程擬合 , 第 1次基線解算最弱環(huán)上高程 閉合差達到 8. 5c m 。 若依據(jù)四等水準測量限差要 求 , 該閉合環(huán)水準高差閉合限差應(yīng)該為 :20×13. 4=73. 2mm , 故 可簡單地認為上述 閉合差超限 。 而 經(jīng)過精化計算后該異步環(huán)的高程閉合差為 4. 2c m , 符合四等水準測量閉合差的限差要求 。 事實上 , 要 使靜態(tài) GPS 網(wǎng)高程擬合精度達到四等水準的要求 , 則網(wǎng)中各閉合環(huán)的高程差至少應(yīng)該在四等水準容許 范圍之內(nèi) 。 如果考慮到高程擬合時還存在的精度損 失 , 基線解算時應(yīng)該嚴格控制各獨立異步環(huán)

12、的高程 閉合差 。表 2給出了 2次計算的基線經(jīng)平差后進行高程 擬合的結(jié)果 。 高 程擬合是利用 4個二等水準 點和 I637, I626, 采用了曲面擬合的方法 。 擬合點分布均 勻合理 , 有效地控制擬合的精度 。表 2的數(shù)據(jù)表明 , 嚴格控制閉合差的第 2次計 算結(jié)果與四等水準測量的結(jié)果吻合程度非常好 , 差 異基本上在 10mm 以內(nèi) , 而第 1次計算的結(jié)果 , 相對 于四等水準結(jié)果的離散度要大一些 , 達到 9. 56mm 。 , 各閉合環(huán)的高程閉合差 , 對于提高高程擬合是很有 幫助的 。表 2 兩次高程曲面 擬合后的結(jié)果點名第 2次第 1次四等水 準 /m 差異 2/mm 差異

13、 1/mm I6316. 3316. 3226. 3265. 0-4. 0I6384. 0784. 0764. 0753. 01. 0I6543. 1053. 1023. 110-5. 0-8. 0I6553. 3043. 3063. 315-11. 0-9. 0XI0914. 6974. 6914. 68710. 04. 0I6873. 5973. 6153. 5961. 019. 0I6252. 8382. 8452. 8326. 013. 0I6863. 9864. 0043. 9860. 08. 0I6363. 4413. 4463. 4410. 05. 0I6748. 1108. 1

14、188. 113-3. 05. 0Sigma =6. 02Sigma =9. 562. RTK 數(shù)據(jù)分析本次動態(tài) RTK 測 量采用了雙基準站雙采樣的 方法 。 表 3給出了以 I638和 I655為基準站時 , 13個 流動站的雙采樣平均值的較差結(jié)果 。292006年 第 1期 測 繪 通 報 表 3 雙基準站雙采樣測量結(jié)果的較差 m 單基準站雙采樣平均值的較差X Y H點名 -0. 0197-0. 0206 0. 0023I640 -0. 0073-0. 0122-0. 0218I641 -0. 0136-0. 0141-0. 0324I642 -0. 0178-0. 0189-0. 00

15、54I643 -0. 0187-0. 0095 0. 0412I644 -0. 0230-0. 0252-0. 0243I645 -0. 0041-0. 0133 0. 0209I646 0. 0011-0. 0113-0. 0095I647 -0. 0118-0. 0202 0. 0399I648 -0. 0064 0. 0009 0. 0003I649 -0. 0147-0. 0182 0. 0322I650 -0. 0049-0. 0101-0. 0144I651 0. 0005-0. 0067-0. 0158I652表 3的數(shù)據(jù)表明 , X 和 Y 兩個方向上較差基本 上均為負值 ,

16、表現(xiàn)出了系統(tǒng)性 。 且 X , Y 兩個方向上 較差的平均偏差分別為 -10. 8mm 和 -13. 8mm 。 而 靜態(tài)數(shù)據(jù)處理時 , I638和 I654在 X , Y 兩分 量上的 精度分別為 (I638 8. 3/8. 4m m , (I654 7. 4/7. 2mm 。 考慮到 RTK 測量成果與基準站間的關(guān)系 , 較差的這 種偏差基本上是與基準站的這一精度相一致 。 故這 種系統(tǒng)性反映了基準站 I654和 I638坐標的誤差對 流動站的系統(tǒng)性影響 , 而雙基準站技術(shù)有利于消除 基準站誤差對流動站的影響 。目前 , RTK 用作城市一級導線測量已被很多單 位采用 。 從點位精度來看

17、, RTK 測量成果已能夠滿 足城市測量一級導線 5cm 的精度要求 。 但 RTK 測 量的點位都是相對于某基準站的 , 不能保證 RTK 各 觀測點之間的相對關(guān)系 。 因此 , 會出現(xiàn)點位精度合 格 , 但相鄰點位距離誤差超出限差 、 常規(guī)測量不能閉 合的情形 。 因此 , 為了保證 R TK 測量點能夠滿足一 級導線的需要 , 我們在實際中采用了雙基準站技術(shù) 來消除基準點誤差影響的同時 , 還進行了相鄰點位 間距離的檢核 。 此次距離檢核采用了 TOPCON 2 級 全站儀 , 并按一級導線邊長測量的要求觀測 。 由 RTK 測量原理可知 , 流動站與基準站間的距 離越遠 , 則點位精度

18、越不可靠 。 因此 , 在距離抽樣檢 核時 , 我們依據(jù)此分別抽取了離基準站近 、 較近 、 遠 3處架站 , 檢核了 10條邊的長度 , 并將其與 RTK 測 量的點位坐標反算的結(jié)果進行了比較 (見表 4 。表 4 RTK 邊長檢核基 線實測距離 /m差值 I/m差值 II/mI , II 平均差值 /m差值 III/m差值 IV/mIII , IV 平均差值 /m總的平均差值 /m相對精度I639-I638279. 4570. 0050. 0080. 007-0. 004-0. 002-0. 0030. 002139728 I639-I640258. 4490. 0230. 0080. 0

19、16-0. 005-0. 001-0. 0030. 00643075 I644-I645243. 4150. 0260. 0100. 018-0. 008-0. 012-0. 0100. 00460854 I653-I652224. 2100. 0240. 0040. 0140. 0030. 0030. 0030. 00924912 I653-I654256. 249-0. 0200. 000-0. 0100. 0100. 0040. 007-0. 002128124 I666-I667151. 3840. 0110. 0040. 0080. 0 0. 0070. 0040. 00625232

20、 I682-I681229. 5700. 0010. 0040. 0030. 0140. 0040. 0090. 00638261 I682-I683136. 0150. 0050. 0060. 006-0. 0020. 0120. 0050. 00527203 I685-I684268. 5840. 0090. 0090. 0090. 0030. 0040. 0030. 00644764 I685-I686337. 176-0. 006-0. 010-0. 008-0. 009-0. 012-0. 011-0. 00937464較差標準偏差 0. 0166 0. 0074 0. 0115 0

21、. 0075 0. 0078 0. 0069 0. 0063 表 4中 , 差值 I , II , III , I V 是單基準站單采樣的 坐標值反算的距離與實測距離的差值 , I , II 平均差 值 、 III , I V 平均差值分別為 2次單基準站雙采樣結(jié) 果的平均坐標反算的距離與實測距離的差異 , 總的 平均差值是雙基準站雙采樣 4次結(jié)果的平均坐標反 算的距離與實測距離的差異 。 表 4的數(shù)據(jù)表明 , 雙 基準站雙采樣結(jié)果的平均距離 偏差的標準偏 差為 6. 3mm , 優(yōu)于單基準站單采樣 、 單基準站雙采樣平 均值的結(jié)果 。 從單基線距離較差的相對精度來看 , 1/20000, 因

22、此 , 可以判斷此次 RTK 觀測點之間 的相對關(guān)系是比較好的 。RTK 高程測量一直以來也是測量單位較為關(guān)心 的問題 。 文獻 7, 8的分析表明 , RTK 高程測量可以 達到很好的精度 。 對此 , 以下也進行了相應(yīng)的分析 。 本次 RTK 高程測量中 , 我們采用 4個 2等水準點的 正常高作為控制 點 , 這 4個點的分布也較 為合理 。 表 5給出了 RTK 高程觀測值與四等水準觀測結(jié)果 的比較 。30 測 繪 通 報 2006年 第 1期表 5 RTK 高程與四等高程較差 m 點名 RTK 高 水準高 差異 點名 RTK 高 水準 高 差異 I6392. 7212. 7230-0

23、. 002I664 3. 0533. 04100. 012 I6402. 8862. 8910-0. 005I6652. 7182. 70000. 018 I6413. 3653. 3640 0. 001I6662. 6222. 60600. 016 I6423. 1833. 1860-0. 003I6672. 9222. 91500. 007 I6433. 6343. 6470-0. 013I6682. 9912. 99000. 001 I6442. 7842. 7730 0. 011I6695. 0945. 08400. 010 I6463. 2143. 2040 0. 010I6703.

24、 1153. 10500. 010 I6472. 7022. 6990 0. 003I6712. 7792. 77900. 000 I6488. 2098. 2130-0. 004I6722. 9222. 9260-0. 004 I6494. 6574. 6720-0. 015I6733. 1373. 1420-0. 005 I6504. 8234. 8230 0. 000I6753. 2873. 3010-0. 014 I6512. 9012. 9000 0. 001I6763. 2993. 3070-0. 008 I6523. 2743. 2790-0. 005I6773. 1473. 1

25、730-0. 026 I6533. 0363. 0320 0. 004I6783. 6493. 6580-0. 009 I6568. 2318. 2360-0. 005I6793. 3513. 3720-0. 021 I6573. 8693. 9260-0. 057I6804. 0144. 0430-0. 029 I6583. 1633. 1760-0. 013I6813. 383. 3860-0. 006 I6592. 7672. 7520 0. 015I6824. 3414. 3500-0. 009 I6602. 8052. 8010 0. 004I6834. 34. 27500. 025

26、 I6613. 9653. 9640 0. 001I6843. 6743. 6960-0. 022 I6622. 6992. 7090-0. 010I6853. 2333. 2360-0. 003 I6634. 4324. 4290 0. 003差值的標準偏差 :11. 9mm 表 5中 , 點 I657的偏差較大 , 達到 5. 7cm , 而其 他的偏差基本上在 13cm 之間 , 這可能是天線高 讀取時出了錯誤 。 另外 , 點 I676I685的高程與四 等水準的偏差較大 , 且變化較大 , 而其他點的偏差基 本上在 2cm 以內(nèi) 。 從觀測日期上來看 , I676I685這幾個點在雙

27、基準站的觀測中 , 2次基準站 架設(shè)的 時間間隔為 7天 , 間隔較長 , 且 2次觀測時天氣狀況 相差較大 , 因此 , 對流層延遲的差異對這幾個點高程 觀測的影響較大 。 而其他觀測基本上是在相鄰 2天 完成的 , 且天氣狀況相似 。 這就表明 , 天氣狀況對于 RTK 高程測量影響較大 。 統(tǒng)計表明 , 表 5中較差的 標準偏差為 11. 9mm , 對于 RTK 高程測量而言 , 這種 效果是非常好的 。 比較表 5與表 3中高程數(shù)據(jù)的變 化 , 表 3中的 RTK 高程自身較差起伏較大 , 而表 5中 與四等高程的變化較小 。 這也表明 , 雙基準站雙采 樣 (或多采樣 的方法可有效

28、地消除對流層隨機變化 對 GPS 高程測量產(chǎn)生的影響 , 且削弱了基準站的系 統(tǒng)性影響 。 三 、 總 結(jié)上述的分析表明 , 靜態(tài) GPS 數(shù)據(jù)處理中 , 在平 面 , 控制網(wǎng) 、 四等水準測量的閉合差檢核要求 , 嚴格控制 基線網(wǎng)中各閉合環(huán)的平面 、 高程閉合差 , 不僅有利于 提高平面平差的精度 , 而且有利于提高高程擬合的 精度 。 而且 , 考慮到高程擬合時存在精度損失 , 基線 網(wǎng)高程閉合差檢核的尺度應(yīng)高于四等水準測量閉合 差的要求 , 且參加擬合的高程控制點的精度應(yīng)高于 四等水準點 , 分布應(yīng)合理 、 均勻 , 這樣擬合的結(jié)果 , 其 精度才可能接近或達到四等水準測量的精度要求 。

29、 動態(tài) RTK 測量用于城市一級導線測量中 , 雙基 準站雙采樣 (或多采樣 的方法不僅有利于對流層延 遲的隨機變化對 RTK 結(jié)果的偶然性誤差的影響 , 而 且有利于消除基準站自身的誤差對 RTK 動態(tài)測量 點的系統(tǒng)性影響 , 從而提高 RTK 動態(tài)測量點的平面 坐標精度 , 大大改善 R TK 高程測量的精 度 。 而且 , 上述 RTK 高 程數(shù)據(jù)與 四等水準 結(jié)果 的比較 表明 , RTK 高程測量可以接近 或達到四等水 準測量的精 度 , 但需要嚴格把握好觀 測期間天氣的變 化狀況 。 另外 , RTK 動態(tài)測量用于城市一級導線測量時 , 為了 保證各動態(tài)測量點之間的相對關(guān)系 , 采

30、用距離檢核 的方法 , 有選擇性 、 針對性地檢核部分點間的距離 , 對于把握 RTK 動態(tài)點 , 使其滿足一級導線測量的要 ,312006年 第 1期 測 繪 通 報 點滿足一級導線要求的另一個檢測方法 , 出于數(shù)據(jù) 的采集原因 , 在此沒有進行詳細的討論 。 參考文獻 :1 姜衛(wèi)平 , 葉世榕 , 劉經(jīng) 南 . GPS 形 變監(jiān)測 網(wǎng)基線處 理中 系統(tǒng)誤差分析 J . 武漢大學學報 (信息 科學版 , 2001, 26(3 :196-199.2 J TJ 066-98, 全球定位系統(tǒng)城 市測量技術(shù)規(guī)程 S . 3 CH 2001-92, 全球定位系統(tǒng) (GPS 測量規(guī)范 S . 4 邱 斌

31、 , 朱建軍 . 全 球定 位系 統(tǒng)高 程轉(zhuǎn) 換的 RCR 算法J . 測繪通報 , 2004, (7 :16-18.5 成國輝 , 許 曦 . 一種 GPS 過河水準新方 法的試驗 J . 測繪通報 , 2004,(6 :62-64.6 廖超明 , 葉達忠 , 邱宏華 , 等 . 利用 GPS 測高技術(shù)建立 水 利工程高程控制網(wǎng) J . 測繪通報 , 2004,(2 :37-39. 7 張志勇 . 雙基準站 RTK 檢測及精度分析 J . 測繪通報 , 2004, (7 :19-22.8 姚歡炯 . RTK 高差 、 水準高差組成混合網(wǎng) 代替四等水 準 可行性的分析和 研究 J . 大壩 與

32、安 全 , 2004, (S0 :14-16.附錄 1 獨立環(huán)閉合差統(tǒng)計表閉合環(huán)點名構(gòu)成 L /k m dX /mm dY /mm dZ /mm dX /mm d Y /m m dZ /mm I637-XiZhen -XGI442-I655-XI091-I638 16. 57 3. 01 10. 2 4. 8-2. 0-1. 0 3. 0 I637-XiZhen -XGI442-I655-I654-I63812. 826. 915. 23. 05. 0-7. 0-2. 0I637-XiZhen -XGI442-XiMQ -ShuiC -XZZX -I687-HYL -XI091-I63830.

33、 2424. 136. 835. 70-3. 0-20. 0 I637-XiZhen -XGI442-I631-I687-HYL -XI091-I63828. 7029. 855. 535. 95. 010. 0-7. 0 I637-XiZhen -XGI442-I631-I626-I625-XI091-I63818. 458. 444. 719. 36. 0-27. 0-12. 0 I654-I638-XI091-I65510. 693. 95. 07. 97. 0-6. 0-5. 0 I626-I655-I6316. 929. 110. 66. 69. 0-19. 09. 0 I626-I655-XI091-I6255. 6612. 227. 221. 6-15. 021. 017. 0 I626-I631-I687-HYL -XI091-I62513. 4138. 2100. 255. 316. 0-49. 03. 0 XGI442-I631-I6559. 7915. 83. 29. 1-16. 014. 0-7. 0 XGI442-I631-Sh