淺析GPSRTK誤差來源及減弱誤差的方法

1、淺析GPSRTK誤差來源及減弱誤差的方法    論文導(dǎo)讀：觀測(cè)方案及精度分析。影響GPSRTK精度和可靠性的因素。可靠性，淺析GPSRTK誤差來源及減弱誤差的方法。 關(guān)鍵詞：GPSRTK測(cè)量，精度分析，可靠性    1 引言 二十世紀(jì)下半葉是測(cè)繪技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)期，特別是近十多年來，它獲得了突出的成就。促進(jìn)這一時(shí)期飛躍前進(jìn)的因素之一就是測(cè)量?jī)x器的迅速發(fā)展，其中有代表性的是GPS RTK的出現(xiàn)和使用。它既克服了常規(guī)測(cè)量要求點(diǎn)間通視、費(fèi)工費(fèi)時(shí)、精度不均、外業(yè)不能實(shí)時(shí)知道測(cè)量成果和測(cè)量精度的缺點(diǎn)，又避免了GPS靜態(tài)定位及

2、快速靜態(tài)相對(duì)定位需要進(jìn)行后處理的缺點(diǎn)，若內(nèi)業(yè)后處理中發(fā)現(xiàn)精度不合乎要求，就需進(jìn)行返工。目前RTK實(shí)時(shí)三維精度可以達(dá)到厘米級(jí)， 但受觀測(cè)條件和其它因素的影響，RTK測(cè)量成果偶爾會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，若不采取必要措施剔除這些錯(cuò)誤成果，會(huì)對(duì)測(cè)繪工作造成嚴(yán)重后果1。本文主要分析影響GPS RTK內(nèi)、外符合精度與可靠性的因素，提出切實(shí)可行的方法和措施，保證測(cè)繪成果的質(zhì)量，為測(cè)繪生產(chǎn)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。 2 GPS RTK定位原理 GPS RTK是根據(jù) GPS的相對(duì)定位概念，將一臺(tái)接收機(jī)放在已知點(diǎn)上(稱為基地站)，另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)放在新點(diǎn)上(稱為移動(dòng)站)，同步采集相同衛(wèi)星的信號(hào)如下圖1： 圖1 RTK原理 將

3、這些觀測(cè)值進(jìn)行差分，可削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等的影響，實(shí)時(shí)定位，精度能大大提高。 RTK采用載波相位觀測(cè)值，能直接導(dǎo)出衛(wèi)星和天線之間的總波長(zhǎng)數(shù)，并能解算模糊值。在通常的GPS測(cè)量中，需要將兩點(diǎn)之間的觀測(cè)值進(jìn)行后處理才能求出總波長(zhǎng)數(shù)和模糊值。論文格式，可靠性。在 RTK中，基地站的觀測(cè)值是通過無線電數(shù)據(jù)鏈播發(fā)給移動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。由于近年來研究出實(shí)時(shí)解算模糊值的算法(稱為“途中”解算，或稱為 OTF)，使 RTK成為可能。這些求模糊值的算法能在接收機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中解算模糊值。目前，在正常條件下，用 RTK解算模糊值只需要1060s的觀測(cè)值。一旦求出模糊值，即可開始RTK測(cè)量。當(dāng)衛(wèi)星

4、失鎖或至基地站的數(shù)據(jù)鏈中斷時(shí)，此模糊值即已失效，此時(shí)必須重新求定模糊值。因?yàn)槎鄶?shù)觀測(cè)者在各點(diǎn)之間遷站都是步行，即使衛(wèi)星失鎖或數(shù)據(jù)鏈信號(hào)中斷，在步行途中，RTK系統(tǒng)也能自動(dòng)進(jìn)行模糊值初始化。 基準(zhǔn)站設(shè)置在坐標(biāo)為已知的參考點(diǎn)上，如下圖2： 圖2 基準(zhǔn)站 GPS天線安置在參考點(diǎn)的上方。GPS接收機(jī)連續(xù)采集數(shù)據(jù)，并通過無線電數(shù)據(jù)鏈或GSM電話播發(fā)給移動(dòng)站。 3 影響GPSRTK精度和可靠性的因素 3.1 GPS系統(tǒng) GPS系統(tǒng)本身的影響因素用戶無法控制，這些因素包括GPS衛(wèi)星星數(shù)、衛(wèi)星圖形和大氣狀況。在OTF解算未知的模糊值時(shí)，至少需要有5顆共同星,星數(shù)越多解算模糊值時(shí)的速度越快,越可靠。研究表明,星

5、數(shù)增加太多，對(duì)提高RTK點(diǎn)位的精度不顯著，但觀測(cè)更多的衛(wèi)星將提高觀測(cè)成果的可靠性。衛(wèi)星圖形影響觀測(cè)成果質(zhì)量，當(dāng)衛(wèi)星均勻分時(shí)，布在整個(gè)天空時(shí)成果質(zhì)量最可用衛(wèi)星數(shù)越多，衛(wèi)星圖形越好。對(duì)流層和電離層都會(huì)對(duì)GPS信號(hào)傳播造成影響，電離層的影響隨時(shí)間和空間波動(dòng)較大，因此信號(hào)到達(dá)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站時(shí)將不同程度的受其影響，而且基線越長(zhǎng)，影響越大。在正常情況下，當(dāng)點(diǎn)間距離較短時(shí)，其影響能夠模擬，殘差可通過觀測(cè)值的差分處理得到削弱或消除。RTK測(cè)量的基線長(zhǎng)度，同軌道誤差和大氣影響密切相關(guān)，基線越長(zhǎng)，電離層和對(duì)流層的誤差越大，觀測(cè)結(jié)果的誤差也越大，解算結(jié)果的可靠度也越低2。 3.2 RTK系統(tǒng) RTK系統(tǒng)的影響因子主

6、要包括數(shù)據(jù)鏈、天線類型和處理軟件，所以RTK設(shè)備的優(yōu)劣，不僅影響測(cè)量精度，而且也影響成果的可靠性。 3.3 環(huán)境 環(huán)境對(duì)RTK影響的因素主要有地形、基準(zhǔn)站與流動(dòng)站之間的障礙物、平面覆蓋、多路徑誤差、電波干擾等。 3.4 觀測(cè)方案 觀測(cè)方案對(duì)RTK結(jié)果的質(zhì)量和可靠性產(chǎn)生重大影響，觀測(cè)方案的主要內(nèi)容有： 基準(zhǔn)站位置的選擇、坐標(biāo)系統(tǒng)的選擇、歷元數(shù)、觀測(cè)次數(shù)等。論文格式，可靠性。 3.5 觀測(cè)者的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn) 觀測(cè)者的專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)對(duì)成果的精度和可靠性影響很大，例如：對(duì)中誤差、測(cè)量天線高等，都將影響測(cè)出的全部坐標(biāo)。 3.6 其他因素 由于RTK作業(yè)方式特殊，有特有的誤差影響，同時(shí)RTK作業(yè)實(shí)時(shí)快速，但缺

7、少必要的檢核條件，所以測(cè)量成果也存在著不可靠性3。其主要影響因素如下： （1）轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響。由于GPS 測(cè)量采用WGS284坐標(biāo)系統(tǒng)，而我國(guó)目前所采用坐標(biāo)系統(tǒng)為1954年北京坐標(biāo)系（或1980國(guó)家大地坐標(biāo)系、地方坐標(biāo)系統(tǒng)等） ，高程基準(zhǔn)為1956年黃海高程系（或1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），所以GPS RTK測(cè)量時(shí)必須先求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，以便將WGS284坐標(biāo)轉(zhuǎn)到地方坐標(biāo)（或1954年北京坐標(biāo)系、1980 國(guó)家大地坐標(biāo)系等，下同）。轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解是RTK測(cè)量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換參數(shù)的精確程度是影響RTK測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。 （2）測(cè)量作業(yè)的控制區(qū)域。測(cè)量作業(yè)范圍受轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)的約束，一般應(yīng)在轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)的控制圓區(qū)

8、域內(nèi)作業(yè)，否則測(cè)量精度就大受影響。 （3）衛(wèi)星信號(hào)的影響。GPS是通過衛(wèi)星來定位的，衛(wèi)星信號(hào)的接收是GPS定位的基礎(chǔ)。GPS測(cè)量要求基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的天線能同時(shí)接收到相同的5顆或5顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，才能保證正確解算。由于衛(wèi)星分布隨時(shí)間變化而變化，不同時(shí)段衛(wèi)星數(shù)量和位置都不同。在衛(wèi)星數(shù)量較多和位置圖形較佳時(shí)，天線接收信號(hào)較好，初始化時(shí)間就短，精度較高；反之，即使天空中有5顆以上的衛(wèi)星，但由于基準(zhǔn)站和流動(dòng)站沒能同時(shí)接收到足夠的衛(wèi)星信號(hào)，使初始化時(shí)間很長(zhǎng)，測(cè)量精度很差，甚至不能解算出固定解。論文格式，可靠性。同時(shí)，由于基準(zhǔn)站或流動(dòng)站選擇位置不當(dāng)，會(huì)使部分衛(wèi)星信號(hào)被高樓等建筑物阻擋，出現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)量不足；或

9、衛(wèi)星信號(hào)被周圍物體反射再接收而產(chǎn)生“多路徑效應(yīng)”，使測(cè)量出現(xiàn)錯(cuò)誤。（4） RTK基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)挠绊?。因RTK測(cè)量時(shí)要求基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測(cè)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站已知數(shù)據(jù)通過無線電發(fā)射，傳輸給流動(dòng)站GPS接收機(jī)，所以無線電信號(hào)的傳輸在RTK測(cè)量中至關(guān)重要。但無線電的數(shù)據(jù)鏈信號(hào)在傳輸時(shí)容易被高樓、山峰等阻擋，也可能被其他電磁波干擾或出現(xiàn)信號(hào)異常，所以對(duì)RTK流動(dòng)站的電臺(tái)接收RTK測(cè)量的可靠性影響很大。 （5）流動(dòng)站方式影響。流動(dòng)站一般有對(duì)中桿和三腳架兩種方式。使用對(duì)中桿方便，但天線不固定，精度起伏大；使用三腳架稍繁瑣，但精度穩(wěn)定。 （6）電源的影響。如果電量不足，不但影響衛(wèi)星信號(hào)和無線電數(shù)據(jù)的

10、接收，產(chǎn)生不可靠的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，甚至可能無法開展RTK測(cè)量。 4 GPS RTK觀測(cè)方案及精度分析 4.1 GPS RTK外業(yè)觀測(cè)方法和精度分析 將基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)中央時(shí)，到達(dá)測(cè)區(qū)內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的基線長(zhǎng)較均勻，則其誤差分布也較均勻，將基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)邊緣時(shí)，則離基準(zhǔn)站遠(yuǎn)的地方精度就不如離基準(zhǔn)站近的，因?yàn)镽TK是靠無線電傳輸數(shù)據(jù)的，受基線長(zhǎng)度影響，而且距離越遠(yuǎn)其中間的干擾因素就有可能多。以下數(shù)據(jù)是分別將基準(zhǔn)站選擇在測(cè)區(qū)中央和測(cè)區(qū)邊緣的GPS RTK觀測(cè)數(shù)據(jù)和坐標(biāo)真值的比較（平面坐標(biāo)為一級(jí)GPS靜態(tài)平差數(shù)據(jù)，高程為四等水準(zhǔn)高程）。 表4.1 基準(zhǔn)站選在測(cè)區(qū)中央     

11、; 點(diǎn)名    X坐標(biāo)(m)    Y坐標(biāo)(m)    H(m)高程     I-1    96805.868    605320.787    2.501     I-2    96624.513   

12、60;605309.412    2.166     I-3    96675.391    605510.565    2.251     I-4    96717.841    605755.695    2.541 

13、0;   I-5    97035.261    605530.876    3.361          表4.2 基準(zhǔn)站選在測(cè)區(qū)邊緣      點(diǎn)名    X坐標(biāo)(m)    Y坐標(biāo)(m)    H(m)高程

14、0;    I-1    96805.791    605320.813    2.536     I-2    96624.531    605309.425    2.173     I-3    9667

15、5.374    605510.579    2.259     I-4    96717.862    605755.710    2.556     I-5    97035.269    605530.859  &

16、#160; 3.371          表4.3坐標(biāo)真值      點(diǎn)名    X坐標(biāo)(m)    Y坐標(biāo)(m)    H(m)高程     I-1    96805.875        

17、0; 605320.796          2.517     I-2    96624.506          605309.401          2.151     I-3 &#

18、160;  96675.3975          605510.563          2.245     I-4    96717.848          605755.6915   

19、0;      2.533     I-5    97035.252          605530.8845          3.350          通過采集數(shù)據(jù)比較，當(dāng)基準(zhǔn)站選在測(cè)區(qū)中央時(shí)精度較高。

20、當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)選在測(cè)區(qū)中央時(shí)，在測(cè)量過程中，每個(gè)點(diǎn)基線長(zhǎng)都在作業(yè)半徑內(nèi)，采集數(shù)據(jù)快且誤差分布均勻，點(diǎn)的觀測(cè)精度相對(duì)就高。 4.2 GPS RTK測(cè)量精度分析 當(dāng)對(duì)某個(gè)量進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些測(cè)量值之間往往存在一些差異。例如觀測(cè)一個(gè)平面三角形的三個(gè)內(nèi)角，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其觀測(cè)值之和不等于180°，這種在同一個(gè)量的各觀測(cè)值之間，或在各觀測(cè)值與其理論上的應(yīng)有值之間存在差異的現(xiàn)象，在測(cè)量工作中是普遍存在的。 觀測(cè)誤差產(chǎn)生的原因很多，概括起來有以下三個(gè)方面： 1、測(cè)量?jī)x器 由于每一種儀器只具有一定限度的準(zhǔn)確度，由此觀測(cè)的數(shù)據(jù)必然帶有誤差。同時(shí)，儀器本身也有一定的誤差，如GPS接受機(jī)所采集的數(shù)據(jù)存在著儀

21、器的誤差。 2、觀測(cè)者 由于觀測(cè)者的感覺器官的鑒別能力有一定的局限，所以在儀器的操作過程中也會(huì)產(chǎn)生誤差。論文格式，可靠性。同時(shí)，觀測(cè)者的技術(shù)水平和工作態(tài)度也是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量有直接影響的重要因素。 3、外界條件 測(cè)量時(shí)的外界條件，如溫度、濕度、風(fēng)力、大氣折光等因素和變化都會(huì)對(duì)觀測(cè)的數(shù)據(jù)直接產(chǎn)生影響。特別是高精度的測(cè)量，更重視外界條件產(chǎn)生的觀測(cè)誤差。例如。GPS接收機(jī)所接收的是來自2萬千米高空的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過電離層、大氣層都會(huì)發(fā)生信號(hào)延遲產(chǎn)生的誤差。 上述測(cè)量?jī)x器、測(cè)量者、外界條件三方面的因素是引起誤差的主要來源，由此可見，觀測(cè)條件的好壞與觀測(cè)成果的質(zhì)量有密切聯(lián)系。當(dāng)觀測(cè)條件好的時(shí)候，觀測(cè)中所產(chǎn)生

22、的誤差相應(yīng)地小些，因而觀測(cè)成果的質(zhì)量就會(huì)高一些。如果觀測(cè)條件相同，觀測(cè)成果的質(zhì)量也就可以說是相同的。所以說，觀測(cè)成果的質(zhì)量高低也客觀地反應(yīng)了觀測(cè)條件的優(yōu)劣4。 在GPS RTK施測(cè)過程中，應(yīng)兩次觀測(cè)取平均值，即雙基準(zhǔn)站的方法進(jìn)行測(cè)量既可提高精度，又可確保成果的可靠性。論文格式，可靠性。 5 提高精度和可靠性的措施 5.1 轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理求解 一般轉(zhuǎn)換參數(shù)求解時(shí)，盡量用高等級(jí)的控制點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)，且轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)盡量分布均勻、包含整個(gè)測(cè)區(qū)。論文格式，可靠性。如果待測(cè)區(qū)域沒有足夠的轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)，最好先布設(shè)轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)，用靜態(tài)方式一起測(cè)量，平差求出所需的WGS284坐標(biāo)和地方坐標(biāo)。 5.2 基準(zhǔn)站的選擇 因需要接收足夠的衛(wèi)星信號(hào)和發(fā)射RTK無線電數(shù)據(jù)鏈,基準(zhǔn)站上空應(yīng)無大面積遮蔽和影響數(shù)據(jù)鏈通訊的無線電干擾，并避免多路徑效應(yīng)，因此RTK基準(zhǔn)站點(diǎn)位應(yīng)選擇在視野開闊的建筑物頂部或地勢(shì)較高處，避開電視、電臺(tái)發(fā)射塔、微波站、飛機(jī)場(chǎng)、高壓線、和大面積水域等。實(shí)踐表明，一個(gè)地區(qū)經(jīng)常使用的RTK流動(dòng)站，最好做成強(qiáng)制歸心礅，并做好電臺(tái)發(fā)射天線的輔助竿和儀器安放箱，方便RTK作業(yè)，又便于利用原有轉(zhuǎn)換參數(shù)和坐標(biāo)成果，提高RTK精度。 5.3 流動(dòng)站方式