GPS(RTK)平面定位技術(shù)在城市地下管線測(cè)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(cè)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(cè)量中，其主要優(yōu)點(diǎn)有操作快捷、直觀、平面定位精度高、自動(dòng)化程度高、誤差不累積等優(yōu)點(diǎn)，提高了地下管線測(cè)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(cè)量中的基本原理、系統(tǒng)組成、測(cè)量基本規(guī)定、誤差來(lái)源，并通過(guò)對(duì)GPS(RTK)在不同工作環(huán)境中的狀態(tài)和能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，尋找出適宜GPS（RTK）的地下管線測(cè)量工作環(huán)境及應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題。

1GPS（RTK）工作原理

GPS是以人造衛(wèi)星組網(wǎng)為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用設(shè)置在地面或運(yùn)動(dòng)載體上的專(zhuān)用接收機(jī)，接收衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。RTK平面定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。2GPS（RTK）系統(tǒng)組成2.1基準(zhǔn)站部分，在一定的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)分別固定在一個(gè)或幾個(gè)測(cè)站上，一直保持跟蹤觀測(cè)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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)站，包括測(cè)站坐標(biāo)、觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)等數(shù)據(jù)。2.3移動(dòng)站部分，接收GPS信號(hào)及基準(zhǔn)站差分信號(hào)，并進(jìn)行解算，得到實(shí)時(shí)的高精度定位結(jié)果。2.4手簿終端控制器，內(nèi)置RTK測(cè)量軟件，可設(shè)置基準(zhǔn)站，移動(dòng)站的工作參數(shù)，顯示運(yùn)動(dòng)中的移動(dòng)站實(shí)時(shí)坐標(biāo)成果、測(cè)量技術(shù)參數(shù)。3GPS（RTK）在城市地下管線測(cè)量中基本規(guī)定3.1坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)3.1.1GPS(RTK)在測(cè)量中應(yīng)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。3.1.2城市地下管線測(cè)量中大多采用1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系或城市獨(dú)立坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。GPS(RTK)測(cè)量時(shí)應(yīng)進(jìn)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(dú)立坐標(biāo)系時(shí)，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(diǎn)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(cè)區(qū)平均高程異常。3.1.4GPS(RTK)測(cè)量時(shí)間系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC。當(dāng)采用北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)區(qū)差加以換算,北京時(shí)間為+8時(shí)區(qū)。3.2測(cè)量精度及基本技術(shù)要求3.2.1GPS(RTK)測(cè)量精度：平面

10mm+2ppm；高程

20mm+2ppm。流動(dòng)站至參考站點(diǎn)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(dòng)站至參考站點(diǎn)間距離

(km)3.2.2GPS(RTK)測(cè)量距離GPS(RTK)測(cè)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(cè)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(zhǎng)傳播距離，但在城市地下管理線測(cè)量中RTK測(cè)量距離一般不宜超過(guò)5km。數(shù)據(jù)傳輸距離和測(cè)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(dòng)站電臺(tái)的天線高，單位為米（m）。3GPS（RTK）在城市地下管線測(cè)量中基本規(guī)定3.2.4GPS(RTK)在地下管線測(cè)量中的具體技術(shù)質(zhì)量要求:

GPS(RTK)在地下管線測(cè)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(jī)，天線和天線電纜，電源，手持計(jì)算機(jī)控制或數(shù)據(jù)采集器(含實(shí)用軟件)，腳架、基座和連接器，儀器運(yùn)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(diǎn)測(cè)量時(shí)間15～30s管線點(diǎn)測(cè)量時(shí)間5～10s測(cè)量圖根控制點(diǎn)時(shí)平面限差±15mm測(cè)量圖根控制點(diǎn)時(shí)高程限差±20mm測(cè)量管線點(diǎn)平面坐標(biāo)時(shí)平面限差±50mm測(cè)量管線點(diǎn)平面坐標(biāo)時(shí)高程限差±30mm3GPS（RTK）在城市地下管線測(cè)量中基本規(guī)定3.3.2流動(dòng)站的基本配置GPS雙頻RTK接收機(jī)，天線和天線電纜，流動(dòng)站數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)套件，手持計(jì)算機(jī)控制或數(shù)據(jù)采集器(含實(shí)用軟件)，手簿托架，流動(dòng)桿，流動(dòng)站背包(分體機(jī)需要)，儀器運(yùn)輸箱等。3.3.3無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈的基本配置：1）基準(zhǔn)站發(fā)射電臺(tái)：一般為外置的獨(dú)立電臺(tái)。2）流動(dòng)站接收電臺(tái)：一般為內(nèi)置在GPS接收機(jī)內(nèi)部。3）中繼站電臺(tái)：可以轉(zhuǎn)發(fā)接收站信號(hào)，既接收基準(zhǔn)站發(fā)送的信號(hào)，又將接收信號(hào)發(fā)送出去，一般為外置的獨(dú)立電臺(tái)。3.4求解轉(zhuǎn)換參數(shù)3.4.1求解轉(zhuǎn)換參數(shù)：1)每個(gè)作業(yè)測(cè)區(qū)分別進(jìn)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(jī)軟件進(jìn)行求解。3)轉(zhuǎn)換參數(shù)可根據(jù)測(cè)區(qū)控制點(diǎn)的兩套坐標(biāo)求得?？刂泣c(diǎn)精度平面應(yīng)在D級(jí)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(cè)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(yùn)用一個(gè)測(cè)區(qū)中的4-8個(gè)已知的GPS點(diǎn)進(jìn)行平面和高程點(diǎn)進(jìn)行求解，平面點(diǎn)不得少于3個(gè)，高程點(diǎn)不得少于4個(gè)，應(yīng)包圍作業(yè)測(cè)區(qū)并均勻分布（見(jiàn)圖1）。3GPS（RTK）在城市地下管線測(cè)量中基本規(guī)定5)相鄰測(cè)區(qū)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)所用控制點(diǎn)應(yīng)將相鄰區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)做為共用點(diǎn)使用。6)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解可分內(nèi)業(yè)求解和外業(yè)實(shí)測(cè)求解。在已知控制點(diǎn)兩套坐標(biāo)不全時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)后計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。測(cè)量平面或高程點(diǎn)時(shí)必須對(duì)應(yīng)先求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，殘差合格后方可進(jìn)行測(cè)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(diǎn)位選擇：基準(zhǔn)站設(shè)置在作業(yè)測(cè)區(qū)內(nèi)任一個(gè)已知控制點(diǎn)上，外業(yè)實(shí)測(cè)求解時(shí)可在測(cè)區(qū)內(nèi)任選新點(diǎn)。在地形比較困難的測(cè)區(qū)，且不測(cè)設(shè)控制點(diǎn)時(shí)可將基準(zhǔn)站設(shè)在帶有高程的導(dǎo)線點(diǎn)上，或者可用RTK進(jìn)行一次轉(zhuǎn)點(diǎn)，轉(zhuǎn)點(diǎn)測(cè)量時(shí)須用支撐架設(shè)置流動(dòng)站天線，測(cè)量時(shí)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(diǎn)的成果，不宜連續(xù)轉(zhuǎn)點(diǎn)。3.5.2點(diǎn)位要求：1)對(duì)用作基準(zhǔn)站的控制點(diǎn)應(yīng)根據(jù)技術(shù)和生產(chǎn)計(jì)劃在圖上進(jìn)行設(shè)計(jì)；2)基準(zhǔn)站應(yīng)盡量設(shè)置于測(cè)區(qū)中部或相對(duì)制高點(diǎn)上，以方便電臺(tái)信號(hào)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(cè)量中基本規(guī)定3)應(yīng)選擇便于安置儀器，周?chē)曇伴_(kāi)闊，通視情況良好，高度角15°以上無(wú)障礙物阻擋衛(wèi)星信號(hào)；4)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源等大型電磁發(fā)射源200米外，遠(yuǎn)離高壓輸電線路、通訊線路50米外，避免周?chē)姶艌?chǎng)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾；5)周?chē)鷳?yīng)無(wú)信號(hào)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(diǎn)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(kāi)交通要道、鐵路、道路路基，避免過(guò)往車(chē)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(yán)格對(duì)中、整平，對(duì)中誤差不大于3mm；2)嚴(yán)格量取基準(zhǔn)站接收機(jī)天線高，量取二次以上，互差小于3mm時(shí)記錄均值；3)GPS天線、信號(hào)發(fā)射天線、主機(jī)、電源等應(yīng)連接正確；4)建立項(xiàng)目或作業(yè)，選擇測(cè)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(diǎn)的已知坐標(biāo)；5)選擇RTK測(cè)量方式啟動(dòng)基準(zhǔn)站接收機(jī)，一般不記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行管線點(diǎn)測(cè)量時(shí)，可選擇記錄靜態(tài)數(shù)據(jù)，便于RTK接收不到電臺(tái)信號(hào)時(shí)的測(cè)量后處理；3GPS（RTK）在城市地下管線測(cè)量中基本規(guī)定6)電臺(tái)連接正確，確保供電，頻率調(diào)節(jié)同流動(dòng)站一致；7)基準(zhǔn)站工作期間，工作人員不能遠(yuǎn)離，要間隔一定時(shí)間檢查設(shè)備工作狀態(tài)，對(duì)不正常情況及時(shí)作出處理。不允許關(guān)機(jī)又重新啟動(dòng)，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(lèi)型、測(cè)站名等。3.6流動(dòng)站的設(shè)置3.6.1檢查流動(dòng)站記錄器內(nèi)存或PC卡容量能否滿(mǎn)足工作需要，檢查是否備足電源。3.6.2GPS天線、主機(jī)、電臺(tái)接收天線、電源等應(yīng)連接正確。3.6.3流動(dòng)站一般采用2m對(duì)中桿作業(yè)，當(dāng)高度不同時(shí)，應(yīng)實(shí)測(cè)修正。3.6.4建立項(xiàng)目或作業(yè)，選擇測(cè)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(diǎn)的已知坐標(biāo)及其它測(cè)設(shè)的點(diǎn)、線、面等資料。3.6.5選擇RTK測(cè)量方式，頻率調(diào)節(jié)同參考站電臺(tái)一致后啟動(dòng)流動(dòng)站接收機(jī)。3.6.6流動(dòng)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(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示、失鎖后自動(dòng)重新初始化等工程應(yīng)用軟件。3GPS（RTK）在城市地下管線測(cè)量中基本規(guī)定4GPS（RTK）測(cè)量誤差來(lái)源

如果要想了解RTK測(cè)量的主要誤差來(lái)源，需要先了解GPS的主要誤差源具體類(lèi)別。

GPS誤差來(lái)源

4-1

RTK誤差來(lái)源、測(cè)量精度及處理方法

4-2誤差來(lái)源對(duì)距離測(cè)量影響衛(wèi)星部分1、星歷誤差2、鐘誤差3、相對(duì)論效應(yīng)1.5～15信號(hào)傳播1、電離層2、對(duì)流層3、多路徑效應(yīng)1.5～15信號(hào)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(fù)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(jī)械中心和電子相位中心不重合，誤差一般達(dá)到3～5cm。提高RTK精度方法天線檢驗(yàn)校正多路徑誤差大小和周?chē)沫h(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(diǎn)位，專(zhuān)業(yè)的天線，鋪設(shè)吸電波材料等。信號(hào)干擾周?chē)懈蓴_源，天線電發(fā)射源，高壓電線等。提高精度的方法，遠(yuǎn)離干擾源。氣象因素快速運(yùn)動(dòng)的氣象鋒面引起，一般1～2cm，氣象變化較快時(shí)，不進(jìn)行觀測(cè)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(yáng)黑子活動(dòng)、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(gè)以上觀測(cè)站同步觀測(cè)，利用電離層模型改正。太陽(yáng)黑子活動(dòng)劇烈時(shí)不宜觀測(cè)，平靜時(shí)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(duì)誤差是1*10-6，就短基線<10km，結(jié)果影響可以忽略不計(jì)。對(duì)流層誤差對(duì)流層誤差同點(diǎn)距離和點(diǎn)間高差密切相關(guān)，一般可達(dá)3*10-65GPS（RTK）測(cè)量精度可靠性試驗(yàn)GPS（RTK）儀器在工作時(shí)，通常受到工作時(shí)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(cè)量精度，因此對(duì)GPS（RTK）測(cè)量精度進(jìn)行必要的試驗(yàn)、一定量的數(shù)據(jù)檢測(cè)是必須的。

我們?cè)谏钲诘貐^(qū)使用中海達(dá)（V8star）RTK儀器（平面精度±1cm+1ppm，高程精度±2cm+1ppm）進(jìn)行了控制及管線點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)采集，對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)試。5.1控制點(diǎn)精度的驗(yàn)證

在測(cè)區(qū)內(nèi)，首先利用拓普康GTS-332N全站儀布設(shè)一條7個(gè)點(diǎn)的二級(jí)導(dǎo)線，然后把GPS（RTK）基準(zhǔn)站架設(shè)在已知國(guó)土控制點(diǎn)上，在參數(shù)設(shè)定完后，移動(dòng)站采用三腳架對(duì)中，在最佳的觀測(cè)時(shí)段，對(duì)每點(diǎn)觀測(cè)4次，每次觀測(cè)時(shí)間不少于1分鐘，4次觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為該點(diǎn)的坐標(biāo)、高程值，與二級(jí)導(dǎo)線成果進(jìn)行誤差計(jì)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(diǎn)數(shù)據(jù)采集精度的驗(yàn)證

對(duì)GPS（RTK）的作用，不只能局限于控制點(diǎn)加密，只有把它運(yùn)用到最大限度，才能發(fā)揮它的應(yīng)有功效。為了驗(yàn)證在管線點(diǎn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的精度情況和對(duì)自然環(huán)境的使用范圍，我分不同區(qū)域驗(yàn)證了GPS（RTK）測(cè)量與全站儀測(cè)量的對(duì)比數(shù)據(jù)。在自然環(huán)境比較好，無(wú)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(cè)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(guò)了《規(guī)范》允許的范圍，但兩邊無(wú)高大建度物遮擋，適當(dāng)?shù)母淖儣U高，也能達(dá)到高精度的測(cè)量結(jié)果；在變壓器下、變電站旁、超高壓電線（≥10kv）下、樹(shù)木高大、葉片茂密的地方進(jìn)驗(yàn)證，RTK在這樣的環(huán)境中無(wú)法展開(kāi)工作，一直處于差分態(tài)，所測(cè)結(jié)果誤差較大，不能使用。5GPS（RTK）測(cè)量精度可靠性試驗(yàn)6提高質(zhì)量與精度的經(jīng)驗(yàn)、方法及措施6.1編制科學(xué)、合理、可靠的測(cè)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(duì)觀測(cè)成果的準(zhǔn)確性起著至關(guān)重要的作用，對(duì)GPS（RTK）的作業(yè)時(shí)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（