GPS(RTK)平面定位技術(shù)在城市地下管線測量中的應(yīng)用分析

GPS（RTK）平面定位技術(shù)

在城市地下管線測量中的應(yīng)用分析

AnalysisontheapplicationofGPS（RTK）planepositioning

technologyinurbanundergroundpipelinemeasurement

深圳市大升高科技工程有限公司

Shenzhendashenghi-techengineeringco.,ltd.

GPS（RTK）平面定位技術(shù)是GPS定位技術(shù)最新發(fā)展技術(shù)，應(yīng)用于城市地下管線測量中，其主要優(yōu)點有操作快捷、直觀、平面定位精度高、自動化程度高、誤差不累積等優(yōu)點，提高了地下管線測量質(zhì)量、工作效率。本次我主要介紹GPS(RTK)平面定位技術(shù)應(yīng)用于地下管線測量中的基本原理、系統(tǒng)組成、測量基本規(guī)定、誤差來源，并通過對GPS(RTK)在不同工作環(huán)境中的狀態(tài)和能達到的技術(shù)指標(biāo)，尋找出適宜GPS（RTK）的地下管線測量工作環(huán)境及應(yīng)注意的相關(guān)問題。

1GPS（RTK）工作原理

GPS是以人造衛(wèi)星組網(wǎng)為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用設(shè)置在地面或運動載體上的專用接收機，接收衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號實現(xiàn)導(dǎo)航定位。RTK平面定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理。2GPS（RTK）系統(tǒng)組成2.1基準(zhǔn)站部分，在一定的觀測時間內(nèi)，一臺或幾臺接收機分別固定在一個或幾個測站上，一直保持跟蹤觀測衛(wèi)星，并提供差分坐標(biāo)、星歷等信息。2.2差分傳送部分，將基準(zhǔn)站差分數(shù)據(jù)傳輸給移動站，包括測站坐標(biāo)、觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)等數(shù)據(jù)。2.3移動站部分，接收GPS信號及基準(zhǔn)站差分信號，并進行解算，得到實時的高精度定位結(jié)果。2.4手簿終端控制器，內(nèi)置RTK測量軟件，可設(shè)置基準(zhǔn)站，移動站的工作參數(shù)，顯示運動中的移動站實時坐標(biāo)成果、測量技術(shù)參數(shù)。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3.1坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)3.1.1GPS(RTK)在測量中應(yīng)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。3.1.2城市地下管線測量中大多采用1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系或城市獨立坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)。GPS(RTK)測量時應(yīng)進行坐標(biāo)、高程轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)系統(tǒng)投影變形應(yīng)不大于1/40000（即2.5cm/Km），工程另有比1/40000高的規(guī)定的，按高標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。3.1.3當(dāng)采用城市獨立坐標(biāo)系時，應(yīng)確定下列技術(shù)參數(shù)：1）坐標(biāo)系采用的參考橢球體基本幾何參數(shù)。2）起始點坐標(biāo)和起始方位角。3）中央子午線經(jīng)度值及縱、橫坐標(biāo)加常數(shù)。4）投影面高程及測區(qū)平均高程異常。3.1.4GPS(RTK)測量時間系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)世界時UTC。當(dāng)采用北京標(biāo)準(zhǔn)時間時，應(yīng)考慮時區(qū)差加以換算,北京時間為+8時區(qū)。3.2測量精度及基本技術(shù)要求3.2.1GPS(RTK)測量精度：平面

10mm+2ppm；高程

20mm+2ppm。流動站至參考站點間精度用下式表示：

標(biāo)準(zhǔn)差

=式中：

標(biāo)準(zhǔn)差

(mm)a固定誤差

(mm)b比例誤差系數(shù)

(mm/km)d流動站至參考站點間距離

(km)3.2.2GPS(RTK)測量距離GPS(RTK)測量距離根據(jù)GPS(RTK)數(shù)據(jù)鏈的傳播限制和定位精度要求確定，根據(jù)測區(qū)具體情況，可設(shè)置不同的發(fā)射天線高度和架設(shè)中繼站增長傳播距離，但在城市地下管理線測量中RTK測量距離一般不宜超過5km。數(shù)據(jù)傳輸距離和測站天線高度理論上的關(guān)系式為：

D=4.24×（

+）式中D為數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍的半徑，單位為公里（Km）；h1和h2分別是基

準(zhǔn)站和流動站電臺的天線高，單位為米（m）。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3.2.4GPS(RTK)在地下管線測量中的具體技術(shù)質(zhì)量要求:

GPS(RTK)在地下管線測量中的具體技術(shù)質(zhì)量要求表

表3-13.3儀器設(shè)備3.3.1參考站的基本配置GPS雙頻RTK接收機，天線和天線電纜，電源，手持計算機控制或數(shù)據(jù)采集器(含實用軟件)，腳架、基座和連接器，儀器運輸箱等。內(nèi)容限差內(nèi)容限差衛(wèi)星高度角≥15oPDOP值≤6有效衛(wèi)星總數(shù)≥5RMS≤0.02m圖根控制點測量時間15～30s管線點測量時間5～10s測量圖根控制點時平面限差±15mm測量圖根控制點時高程限差±20mm測量管線點平面坐標(biāo)時平面限差±50mm測量管線點平面坐標(biāo)時高程限差±30mm3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3.3.2流動站的基本配置GPS雙頻RTK接收機，天線和天線電纜，流動站數(shù)據(jù)鏈電臺套件，手持計算機控制或數(shù)據(jù)采集器(含實用軟件)，手簿托架，流動桿，流動站背包(分體機需要)，儀器運輸箱等。3.3.3無線電數(shù)據(jù)鏈的基本配置：1）基準(zhǔn)站發(fā)射電臺：一般為外置的獨立電臺。2）流動站接收電臺：一般為內(nèi)置在GPS接收機內(nèi)部。3）中繼站電臺：可以轉(zhuǎn)發(fā)接收站信號，既接收基準(zhǔn)站發(fā)送的信號，又將接收信號發(fā)送出去，一般為外置的獨立電臺。3.4求解轉(zhuǎn)換參數(shù)3.4.1求解轉(zhuǎn)換參數(shù)：1)每個作業(yè)測區(qū)分別進行求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。2)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)用七參數(shù)或三參、四參數(shù)法，高程轉(zhuǎn)換應(yīng)用擬合法。使用隨機軟件進行求解。3)轉(zhuǎn)換參數(shù)可根據(jù)測區(qū)控制點的兩套坐標(biāo)求得。控制點精度平面應(yīng)在D級及以上，高程應(yīng)在四等水準(zhǔn)及以上，兩套坐標(biāo)分別是WGS84大地坐標(biāo)（B,L,H3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定

）或(X,Y,Z)，和平面坐標(biāo)、正常高（x,y,h）。4)宜運用一個測區(qū)中的4-8個已知的GPS點進行平面和高程點進行求解，平面點不得少于3個，高程點不得少于4個，應(yīng)包圍作業(yè)測區(qū)并均勻分布（見圖1）。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定5)相鄰測區(qū)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)所用控制點應(yīng)將相鄰區(qū)域內(nèi)的控制點做為共用點使用。6)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解可分內(nèi)業(yè)求解和外業(yè)實測求解。在已知控制點兩套坐標(biāo)不全時，可在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。測量平面或高程點時必須對應(yīng)先求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，殘差合格后方可進行測量。7)轉(zhuǎn)換參數(shù)殘差：平面坐標(biāo)應(yīng)小于±15mm，高程應(yīng)小于±25mm。3.5基準(zhǔn)站的系統(tǒng)設(shè)置3.5.1基準(zhǔn)站點位選擇：基準(zhǔn)站設(shè)置在作業(yè)測區(qū)內(nèi)任一個已知控制點上，外業(yè)實測求解時可在測區(qū)內(nèi)任選新點。在地形比較困難的測區(qū)，且不測設(shè)控制點時可將基準(zhǔn)站設(shè)在帶有高程的導(dǎo)線點上，或者可用RTK進行一次轉(zhuǎn)點，轉(zhuǎn)點測量時須用支撐架設(shè)置流動站天線，測量時間應(yīng)大于3分鐘或者采集三次數(shù)據(jù)取均值做為轉(zhuǎn)點的成果，不宜連續(xù)轉(zhuǎn)點。3.5.2點位要求：1)對用作基準(zhǔn)站的控制點應(yīng)根據(jù)技術(shù)和生產(chǎn)計劃在圖上進行設(shè)計；2)基準(zhǔn)站應(yīng)盡量設(shè)置于測區(qū)中部或相對制高點上，以方便電臺信號發(fā)送和數(shù)據(jù)傳送的覆蓋區(qū)域；3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定3)應(yīng)選擇便于安置儀器，周圍視野開闊，通視情況良好，高度角15°以上無障礙物阻擋衛(wèi)星信號；4)應(yīng)遠離大功率無線電發(fā)射源等大型電磁發(fā)射源200米外，遠離高壓輸電線路、通訊線路50米外，避免周圍電磁場對GPS衛(wèi)星信號的干擾；5)周圍應(yīng)無信號反射物（大面積水域、大型建筑物等），以減弱多路徑效應(yīng)；6)點位應(yīng)布設(shè)于交通方便，基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于保存的地方，盡量避開交通要道、鐵路、道路路基，避免過往車輛、行人的干擾。3.5.3基準(zhǔn)站設(shè)置要求：1)基準(zhǔn)站上儀器架設(shè)要嚴格對中、整平，對中誤差不大于3mm；2)嚴格量取基準(zhǔn)站接收機天線高，量取二次以上，互差小于3mm時記錄均值；3)GPS天線、信號發(fā)射天線、主機、電源等應(yīng)連接正確；4)建立項目或作業(yè)，選擇測區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換參數(shù)，輸入用于基準(zhǔn)站控制點的已知坐標(biāo)；5)選擇RTK測量方式啟動基準(zhǔn)站接收機，一般不記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，在進行管線點測量時，可選擇記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，便于RTK接收不到電臺信號時的測量后處理；3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定6)電臺連接正確，確保供電，頻率調(diào)節(jié)同流動站一致；7)基準(zhǔn)站工作期間，工作人員不能遠離，要間隔一定時間檢查設(shè)備工作狀態(tài)，對不正常情況及時作出處理。不允許關(guān)機又重新啟動，不允許關(guān)閉或刪除文件，不允許改變天線位置，不允許改變衛(wèi)星截止高度角或天線高、天線類型、測站名等。3.6流動站的設(shè)置3.6.1檢查流動站記錄器內(nèi)存或PC卡容量能否滿足工作需要，檢查是否備足電源。3.6.2GPS天線、主機、電臺接收天線、電源等應(yīng)連接正確。3.6.3流動站一般采用2m對中桿作業(yè)，當(dāng)高度不同時，應(yīng)實測修正。3.6.4建立項目或作業(yè)，選擇測區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)換參數(shù)（同所用參考站一致），輸入或傳入控制點的已知坐標(biāo)及其它測設(shè)的點、線、面等資料。3.6.5選擇RTK測量方式，頻率調(diào)節(jié)同參考站電臺一致后啟動流動站接收機。3.6.6流動站的內(nèi)置軟件應(yīng)有下列功能：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解、測量結(jié)果的實時顯示、失鎖后自動重新初始化等工程應(yīng)用軟件。3GPS（RTK）在城市地下管線測量中基本規(guī)定4GPS（RTK）測量誤差來源

如果要想了解RTK測量的主要誤差來源，需要先了解GPS的主要誤差源具體類別。

GPS誤差來源

4-1

RTK誤差來源、測量精度及處理方法

4-2誤差來源對距離測量影響衛(wèi)星部分1、星歷誤差2、鐘誤差3、相對論效應(yīng)1.5～15信號傳播1、電離層2、對流層3、多路徑效應(yīng)1.5～15信號接收1、鐘的誤差2、位置誤差3、天線相位中心變化1.5～5其他影響1、地球潮汐2、負荷潮1.0RTK定位誤差同儀器干擾有關(guān)天線相位中心變化天線的機械中心和電子相位中心不重合，誤差一般達到3～5cm。提高RTK精度方法天線檢驗校正多路徑誤差大小和周圍的環(huán)境有關(guān)，一般誤差1～10cm不等，提高精度的方法，選擇不具反射面的點位，專業(yè)的天線，鋪設(shè)吸電波材料等。信號干擾周圍有干擾源，天線電發(fā)射源，高壓電線等。提高精度的方法，遠離干擾源。氣象因素快速運動的氣象鋒面引起，一般1～2cm，氣象變化較快時，不進行觀測象。同距離有關(guān)誤差電離層誤差和電離層引起電磁傳播延遲有關(guān)，主要和太陽黑子活動、地理位置、季節(jié)變化、晝夜變化有關(guān)。提高精度的方法，兩個以上觀測站同步觀測，利用電離層模型改正。太陽黑子活動劇烈時不宜觀測，平靜時一般誤差為5*10-6軌道誤差目前軌道誤差只有幾米，殘余相對誤差是1*10-6，就短基線<10km，結(jié)果影響可以忽略不計。對流層誤差對流層誤差同點距離和點間高差密切相關(guān)，一般可達3*10-65GPS（RTK）測量精度可靠性試驗GPS（RTK）儀器在工作時，通常受到工作時段的衛(wèi)星狀態(tài)、氣候條件、作業(yè)環(huán)境等方面的影響，這些影響直接影響到儀器設(shè)備的測量精度，因此對GPS（RTK）測量精度進行必要的試驗、一定量的數(shù)據(jù)檢測是必須的。

我們在深圳地區(qū)使用中海達（V8star）RTK儀器（平面精度±1cm+1ppm，高程精度±2cm+1ppm）進行了控制及管線點平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)采集，對其測量精度進行了驗證和測試。5.1控制點精度的驗證

在測區(qū)內(nèi)，首先利用拓普康GTS-332N全站儀布設(shè)一條7個點的二級導(dǎo)線，然后把GPS（RTK）基準(zhǔn)站架設(shè)在已知國土控制點上，在參數(shù)設(shè)定完后，移動站采用三腳架對中，在最佳的觀測時段，對每點觀測4次，每次觀測時間不少于1分鐘，4次觀測數(shù)據(jù)的平均值作為該點的坐標(biāo)、高程值，與二級導(dǎo)線成果進行誤差計算，平坐標(biāo)誤差為2mm，高程誤差為5mm，都在《規(guī)范》允許范圍內(nèi)。5.2管線點數(shù)據(jù)采集精度的驗證

對GPS（RTK）的作用，不只能局限于控制點加密，只有把它運用到最大限度，才能發(fā)揮它的應(yīng)有功效。為了驗證在管線點數(shù)據(jù)采集過程中的精度情況和對自然環(huán)境的使用范圍，我分不同區(qū)域驗證了GPS（RTK）測量與全站儀測量的對比數(shù)據(jù)。在自然環(huán)境比較好，無遮擋物的地段，平坐標(biāo)誤差為13mm，高程誤差為9mm，在《規(guī)范》允許范圍內(nèi)；在自然環(huán)境比較差，且兩邊有高大建筑物遮當(dāng)，RTK初始化速度慢，測量精度也受到影響，平坐標(biāo)誤差為42mm，高程誤差為63mm，其高程誤差超過了《規(guī)范》允許的范圍，但兩邊無高大建度物遮擋，適當(dāng)?shù)母淖儣U高，也能達到高精度的測量結(jié)果；在變壓器下、變電站旁、超高壓電線（≥10kv）下、樹木高大、葉片茂密的地方進驗證，RTK在這樣的環(huán)境中無法展開工作，一直處于差分態(tài)，所測結(jié)果誤差較大，不能使用。5GPS（RTK）測量精度可靠性試驗6提高質(zhì)量與精度的經(jīng)驗、方法及措施6.1編制科學(xué)、合理、可靠的測量技術(shù)方案。因技術(shù)方案的科學(xué)性、合理性和可靠性對觀測成果的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用，對GPS（RTK）的作業(yè)時間、基準(zhǔn)站位置的選擇、坐標(biāo)系統(tǒng)參數(shù)的選擇、質(zhì)量控制手段及數(shù)據(jù)檢核路線等等提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)，并把GPS（