建德市土地测绘勘察规划设计有限公司 311600
【摘 要】GPS-RTK技术是GPS测量技术发展的新突破，目前最大精度已经达到厘米级，已经成为一种快速采集数据和导航定位的有效工具。相比传统测量方法，它的高效率、高精度以及全天候作业的特点已经得到广大测绘人员及相关部门的广泛应用。本文主要介绍GPS-RTK运用的基本原理、系统组成等。本文就RTK作业要求、配置以及定位过程做了详细阐述。
【关键词】GPS-RTK；测量技术；系统组成
动态GPS技术（GPS-RTK）近年来发展比较迅速，它在各种控制测量、地形测图、工程选线及工程放样中应用广泛，与常规仪器相比非常明显地提高了作业效率和作业精度。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real-timekinematic）方法。因此RTK技术的运用已经变成测量技术运用中不可缺少的一部分。
一、RTK技术原理
RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。通过RTK技术能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量尤其对农村土地承包经营权确定等工作带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
RTK技术通常由一台基准站接收机和一台或多台流动站接收机以及用数据传输的电台组成，在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿，如基准站的坐标，高程，坐标系转换参数，水准面拟合参数等；流动站接收机在若干个待测点上设置。基准站与流动站保持同时跟踪至少4颗以上的卫星，基准站不断的对可见卫星进行观测，将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机，流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站发送来的信号传输到控制手簿，组成差分观测值，进行实时差分及平差处理，实时得出本站的坐标和高程。
图1：RTK系统构成
三、GPS-RTK测量
首先，进行GPS网型设计，控制点的位置及网形可在1：1~5万比例尺的国家基本图上进行设计。以往对三角网和测边网作图上设计是十分繁琐的，既要保证相邻点间互为通视，又要考虑图形结构良好，对每个三角形的内角大小均有限制，除了抢占制高点外，有时还须借助于建立高标。对于观测方向较多的中点多边形的中点位置更是难以确定。当然，对于面积较小、边长较短的精密边角控制网，相对说来解决通视问题就容易些。
GPS网点并不以点间通视为必要条件，点位的选定有很大的灵活性，可以先按需要选定点位，再来组织网形，为便于观测和使用，GPS点选在交通方便容易到达的地方，尽量避免在山顶和河边设点。图上设计的仅是概略的点位，在实地选点时可在图上初选点的附近选定合适的点位，以满足GPS测量对点位的要求。拟作为GPS网的位置基准及方位基准的已有控制网的起始点及起始方位角的两端点必须选作GPS点，设计的点位中应尽可能多地包括一些符合条件的已有控制网点（城市或工程控制网点及国家网点）。这样不仅可以充分利用已有的标石，更可获知GPS网与原有控制网在同名点上的坐标差异，并可籍以进行坐标系之间的转换。与此同时，在选点过程中应按所需的密度来进行布点。
如确定分两级布网，须先做首级网网形设计，首级网点应布满整个测区，但可疏密有致。然后再做同期施测的次级网点的网形设计。
将各GPS点依次相联组成几何图形就能获得GPS网形。对于GPS控制网宜采用有多个多边形闭合环组成，且相邻闭合环之间依边连接的图形。在此，每条边代表两台GPS接收机在该边两端点上同步连测所得的一个独立基线向量。如果在一个测段内，同步连测的接收机多于两台（设为m台，m＞2），则只能获得m-1个独立基线向量。也就是说，在设计得GPS网中所包含的任一观测时段中的独立基线向量只能使m-1个，多了则参入了不应有的观测值，少了则错失了有用的观测值。为此，在安排观测纲要时，应根据设计好的网形，决定每测段中基线向量的取舍。以确定GPS网确实是由独立基线向量所组成的。
多边形中边数的多寡直接关系到网的精度、可靠性以及野外GPS观测的工作量。高精度控制网宜采用有三边形组成的网形，为增加多于观测值，甚至还需加测对角线。对于大城市首级控制网，每个独立闭合环的边数可限制在4~5个，对于一般的GPS控制网边数也不宜超过6个。因为随着闭合差边数的增加，闭合差的限差随之而增大，利用闭合差来检验发现基线向量观测值中可能存在的粗差的能力就会降低。除了会降低可靠性以外，还由于多于观测值的减少而影响网的精度。
在两个已有的GPS控制点之间可直接布设类似于附和导线那样的连线的GPS基线边，而以两已知点的基线边为闭合边，边数也不得超过6条。
即使在形状狭长的线路GPS控制网中，每两个相邻异步环之间最好还是采用边连式（两环之间有两个公共点），而不宜采用点连式（两环之间一个公共点）。因为有公共边毗连的多个闭合环的网形较之仅有一个公共点连接的网形具有更高的图形强度，并且在不增加野外工作量的条件下，却能获得相同的多余观测数。
由于GPS观测作业方式和GPS基线向量的选择具有较大的灵活性，有的施测单位在技术设计中注意布点，并不统一连点成网，作业中则采用某种推进方式施测，观测后再选择非同步的GPS基线向量，以至构成网形不佳，往往出现点连式的若干闭合环。有的甚至不做选择的保留同步GPS基线向量。有时难以发现粗差，也难以给出准确的精度评定。
四、RTK作业要求
RTK定位要求基准站以数据传输速度≥9600bit 的标准实时向移动站发送信息。远距离的数据链能够减少设参考点，并避免转站的次数；数据的链稳健能大大减少GPS的初始化运行时间。使工作效率大大提高。同时RTK用于地形测量也存在许多的不足：
1.RTK相对于静态GPS测量，无足够的几何检核条件，因此在进行重要地物测时应尽可能的采用增加历元数等方法提高精度。
2.在有信号遮挡的地方，如建筑区内很难进行测量，因此在这种情况下必须配合全站仪等常规仪器进行作业
3.RTK野外操作手簿不能进行图形编辑现场成图，对于简单地形测量如等高线测绘具有一定优势，但在进行复杂地形测量时还需配合草图。
4.对于电线杆、电线塔等会对接收机信号产生干扰的地物测量，会因采用偏心或交会等方法产生一定的精度偏差。另外我们在使用RTK进行测量时，应该注意在测区求转换参数时，选取的已知点不但要达到一定数量，同时要均匀分布，包围整个测区。对于有高程起伏的测区，特别是在进行等高线测量时，选取已知控制点时，尽可能选分布在不同高程层面的点，这样能更好的建立高程模型，对于提高高程精度有很大好处。
五、RTK精度控制
GB/T18314—2009《全球定位系统（GPS）测量规范》将GPS网按其测量精度划分为：A、B、C、D、E级。
表1-1：GPS测量精度分级1
图1-6：导线布设
表1-5：用RTK和全站仪计算导线平差数据
角度闭合差w=9.0（s） 纵坐标差fx=-0.025 标差fy=0.021
全长闭合差fs=0.032 相对闭合差k=1：74065 导线全长[s]=2399.889
由以上数据可以看出，在一般的地形地势下，RTK可以一次性测完很大半径的测区，大大减少测量时间，而且定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。降低了作业条件要求，是一种安全、方便、可靠、精准的测量方法。
七、GPS-RTK测量误差分析
GPS-RTK测量其单点观测精度可达到或者超过图根控制点的精度要求，可以替换传统的图根控制测量，但是受其自身的工作原理、观测条件、及外界各种因素的影响，很容易产生各种误差。在地形测量项目中我们可以影响、改善或减小其影响的误差大致如下：
（1）GPS全球定位系统由空间部分（GPS卫星）、地面监测部分和用户部分组成。如果接受不到准确的GPS卫星发射的用于导航定位的测距信号和导航文电，GPS精密定位就无从谈起。
（2）由GPS-RTK系统基准站的载波相位观测值，伪距观测值，基准站信息等均由数据链路传送给流动站，如果系统的无线电数据链路受到阻断或者干扰，系统则无法获取得到高精度的解算成果。
（3）由GPS-RTK技术的测量原理可知其点位精度都是相对于某以特定基准站的，点位误差椭圆是随机的，虽然单个图根点的点位精度很好，但是图根点于图根点之间的相对精度可能很低，并且流动站与基准站间的距离越远，则点位精度越不可靠。
为了提高GPS和RTK系统观测成果的精度，在观测图根控制点是采取以下措施可以减小或消除上述因数的影响：
（4）每个图根点至少要有两个通视方向，通视方向的夹角控制在60~120度之间，点间的距离尽量远些，在全站仪采集碎步数据时，观测图根点间的距离和夹角来检测图根点点位精度和点间的相对精度，发现问题后及时补救以减少图根点误差对地形测量质量的负面影响。
（5）图根点应选择在视野开阔、交通方便、便于长期保存的地点，以便于GPS卫星信号的接受、图根点的利用、发现问题后的复测工作。
（6）图根点点位应远离各类发射塔、高压线、通讯线、变压器等带有电磁辐射的物体，应尽量远离大面积的水域。
（7）基准站尽量架设于视野开阔。地势较高的地点以保持基准站和流动站间的数据链路的畅通。
（8）要养成良好的作业习惯，RTK系统观测前观测后都要在已知点上进行检核，观测过程要尽量多的检测或复测数据。
（9）RTK测量图根控制点，全站仪采集碎步数据时，碎步点 测距长度不宜太远，应以测站点至定向点点间距的距离为限，以防止图根点间相对误差的扩大传播。
八、RTK在农村土地承包经营权确定过程中的应用
在农村土地承包经营权的确定过程中，测量是其众多工作中比较重要的一项工作。而GPS-RTK技术在农村土地承包经营权的确定过程中，其优越性则表现的更加突出。GPS-RTK的测量技术在农村土地承包经营权的确定过程中，应用已十分普遍，简单来说主要包括几个方面，坐标系与投影参数、基准站设置，参数转换与信息处理等。其主要操作步骤如下：
（（1）启动基准站：将基准站架设在上空开阔、没有强电磁干扰、多路径误差影响小的控制点上，正确连接好各仪器电缆，打开各仪器。将基准站设置为动态测量模式。
（2）建立新工程，定义坐标系统：新建一个工程，即新建一个文件夹，并在这个文件夹里设置好测量参数[如椭球参数、投影参数等]。这个文件夹中包括许多小文件，它们分别是测量的成果文件和各种参数设置文件，如*.dat、*.cot、*.rtk、*.ini 等。
（3）点校正：GPS测量的为W CS-84系坐标，而我们通常需要的是在流动站上实时显示国家坐标系或地力独立坐标系下的坐标，这需要进行坐标系之间的转换，即点校正。点校正可以通过三种方式进行。
①在已知转换参数的情况下。如果有当地坐标系统与WGS84坐标系统的转换七参数，则可以在测量控制器中直接输入，建立坐标转换关系。
如果是在国家大地坐标系统下进行，而且知道椭球参数和投影方式以及基准点坐标，则可以直接定义坐标系统，建议在RTK测量中最好加入1-2个点校正，避免投影变形过大，提高数据可靠性。
②在不知道转换参数的情况下。如果在局域坐标系统中工作或任何坐标系统进行测量和放样工作，可以直接采用点校正方式建立坐标转换方式，平面至少3个点，如果进行高程拟合则至少要有4个水准点参与点校正。以上海华测X90F为例，点击“测量”→“点校正”→“增加”，在“网格点名称”里选择一个已知点的当地平面坐标，点击“确定”，然后在“GPS点名称”里选择同一个已知点的经纬度坐标，点击“确定”，最后在“校正方法”里根据需要选择只有水平的校正或者水平和垂直的校正都应用，再点击“确定”即完成一个点的点校正，如果需要继续校正，重复这个步骤即可；所有的校正点都增加完毕以后，点击“计算”，再点击“确定”这样整个点校正的操作就完成了。
③利用已经建好的CORS网络RTK测量，则在工作中优势进一步加大，可以提前设置好参数，直接转换成测绘现场需要的数据，使我们的工作更加方便、快捷、高效。以建德市大慈岩镇农村土地确权发证为例。大慈岩镇位于杭州市CORS网络RTK信号覆盖区，可以利用HZCORS网络RTK进行侧区内的控制测量、数据采集等工作。在测绘前期准备工作时就可以跟杭州市规划局申请好CORS账号，用测区内及其附件高等级控制点校正出一个控制、测量文件。
（4）流动站开始测量：单点测量：在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”，再选择“测量点”选项，即可进行单点测量。注意要在“固定解”状态下，才开始测量。单点测量观测时间的长短与跟踪的卫星数量、卫星图形精度、观测精度要求等有关。当“存储”功能键出现时，若满足要求则按“存储”键保存观测值，否则按“取消”放弃观测。
RTK测量有优势也有缺点，下面对其优缺点进行分析：
（1）结合RTK技术在土地确权测量工作中的具体应用，不难发现RTK技术比传统的地籍测量方法有着巨大的优势，具体如下：
①工作效率高：在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完15km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数，移动站一人操作即可，劳动强度低，作业速度快，提高了工作效率。
②定位精度高：只要满足RTK的基木工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为15km）RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。
③全天候作业：RTK测量不要求基准站、移动站间光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此和传统测量相比，RTK测量工作受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来难于开展作业的地区，只要满足RTK的基木工作条件，它也能进行快速的高精度定位，使测量工作变得更容易更轻松。
④RTK测量自动化、集成化程度高，数据处理能力强：RTK可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，减少了辅助测量工作和人为误差，保证了作业精度。
⑤操作简单，易于使用：现在的仪器一般都提供中文菜单，只要在设站时进行简单的设置，就可方便地获得二维坐标。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便地与计算机、其他测量仪器通信。
（2）尽管RTK技术有如上种种优势，但在具体的农村集体土地确权的外业测量工作中也发现了RTK技术存在一些弊端，影响着测量效率及测图精度。
①受信号的局限：在一些无线电死角和卫星信号死角无法采集数据，除此之外，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生不良影响，在一些信号受遮挡或干扰的地带（比如树林茂密的地区、高压输电线附近等），很难达到厘米级的精度。
②受作业距离的影像：RTK技术中，随着移动站与基准站之间距离的增加，对数据链的要求会越来越高，并且其定位精度会随之而下降，
③作业强度高：尽管RTK技术的应用减少了工作量，大大提高了工作效率，但在农村土地确权工作中，面临着宗地分布不规则、宗地地块面积大等特点。如果外业的测量工作全部进行实测，一个小组（2-3人）要在一天的时间内在测区内完成1-2平方公里的任务，则小组的每个组员一天要走上30km左右的路程，仍是高强度作业。
（6）在整个RTK应用方面，测量行业始终是一个小分支，测量知识的流通面也非常有限，再加上普通测量员或非测量专业人员普遍对新技术理解不深，在进行RTK测量时，往往会按照培训人员的要求机械化地去接受，这样时间一长就会对整个测量工作效率产生影响，RTK的优越性也不能完全被发挥出来。特别是在RTK即将普及的今天，熟练操作RTK在实际应用中显得尤为重要。
发展方向
针对RTK技术在具体应用中发现的问题，结合我们日常学习的内容，提出了一些改良的方法和构想，使外业测量操作向着简单、高效、智能的方向发展，但其具体的精度、可靠性等有待日后继续研究。
GPS-RTK接收机+全站仪法：使用该方法，既可以完成RTK无法测量的区域内的高精度测图工作，又可避免单一的全站仪测量时须布设繁琐的控制网和连续支站的误差积累等弊端，使二者发挥各自的优点，可适应任何地形环境条件和任意比例尺地籍图的测绘，实现全天候、无障碍、快速、高精度、高效率的地籍信息采集工作，是未来发展的必然方向。
九、结论
测量学的现代化、自动化、数字化发展方向已确定，接下来的几十年不会变，这是确定的。我需要去做的是学会使用当代先进的科学仪器更轻便地服务于各类测量，满足对测量精度的高要求。遗憾的是由于其设备的机器昂贵以及相关的软硬件设备不完备如软件。测量技术方法与手段的更新换代，积极推动新技术的推广与应用，充分利用GPS技术、数字化测绘技术、摄影测量技术、“3S”集成技术及地面测量先进技术设备，把传统的手工测量向电子化、数字化、自动化方向发展；同时加强相关学科的研究，不断拓宽工程测量服务新领域，开创工程测量发展新局面，为推动我国工程测量科技进步而努力奋斗。
论文作者:金裕闲
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第19期
论文发表时间:2016/8/19
标签：测量论文; 精度论文; 作业论文; 基准论文; 坐标论文; 技术论文; 基线论文; 《低碳地产》2015年第19期论文;