GPS-RTK技術介紹


    GPS是美國陸海空三軍聯合研制的衛星導航系統，從軍事方面發展起來的。出于軍事目的，它提供兩種服務即標準定位服務SPS和精確定位服務PPS。前者用于民用事業，后者為美國軍方服務。美國政府為限制非軍事用戶和其他使用GPS的精度，分別在1991年和1994年實施了“SA”技術和“AS”技術，即“有選擇可用性”技術和“反電子欺騙技術”，使SPS服務水平定位精度降低到100米，而在密碼保護下的PPS服務精度提高到1米。


針對美國實施的“SA”技術，各國紛紛采用技術對策，出現了差分GPS即DGPS。“差分”概念的提出幾乎可以完全消除“選擇可用性”帶來的誤差。它利用某些地面發射站發送的已知精確位置的基準信號，將其與GPS的定位信號進行比較和修正。這樣，通過建立基準通訊鏈方式，使GPS數據實現精確校正。而RTK動態實時差分技術，則是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量，它是GPS測量技術發展中的一個新突破。它的工作思路與DGPS相似，只不過是基準站將觀測數據發送到移動站，移動站接收機再采用更先進的在機處理方法進行處理，從而得到精度比DGPS高得多的實時測量結果。


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GPS-RTK工作原理


RTK測量原理是將一臺GPS接收機安裝在已知點上對GPS衛星進行觀測,將采集的載波相位觀測量調制到基準站電臺的載波上,再通過基準站電臺發射出去；流動站在對GPS衛星進行觀測并采集載波相應觀測量的同時，也通過流動站電臺接收由基準站電臺發射的信號，經解調得到基準站的載波相位觀測量；流動站的GPS接收機再利用OTF（運動中求解整周模糊度）技術由基準站的載波相位觀測量和流動站的載波相位觀測量來求解整周模糊度，最后求出厘米級精度流動站的位置。這種測量方法的關鍵是求解起始的整周模糊度即初始化，并能始終保持。因此RTK測量除要求有足夠數量的衛星（一般至少5顆才能達到地籍測量精度）和衛星具有較好的幾何分布外（PDOP值應小于8），還要求基準站與流動站間的數據通訊必須良好，即“微波通視”。


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RTK的數據鏈覆蓋范圍及精度


目前，RTK的數據傳輸多采用UHF（超高頻，300MHz-3000MHz）、VHF（極高頻，30MHz-300MHz）和HF（高頻，3MHz-30MHz）播發差分信號，這三種頻率的特點如表1所示。

表1 三種頻率信號的特點

（資料來源于《廣西測繪》2003年第2期）


一般來說，低頻節省能量，穿透非金屬物體力強，工作頻率不受無線電頻率管制約束；超高頻作用范圍廣，傳送數據速度快，但是比較耗能，穿透力較弱，作業區域不能有太多干擾。目前市面上帶有RTK功能的GPS產品大都采用超高頻。其作用距離大約服從于下列公式（這是由于地球曲率半徑造成的）：


D=4.24(h1)1/2+(h2)1/2 
式中h1和h2分別是基準站和流動站電臺的天線高，單位為米;D為數據鏈的覆蓋范圍的半徑，單位為公里。當然這是在無障礙物遮擋和無電波干擾的理想條件下的覆蓋范圍,實際應用中將會有些出入。


高精度的GPS測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛星相位觀測值的跟蹤，流動站則可隨時給出厘米級定位結果，精度十分準確，像最新的徠卡GPS1200系列精度最高可達3mm+0.5ppm。

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RTK缺點及應對措施


GPS-RTK技術有著測量精度高、定位準確、操作簡便等諸多優點，但是在日常地籍測量中也受到很多條件的影響和限制，這是我們工作中需要注意的。


4.1 受大氣電離層影響


離地約100公里以上的高空大氣十分稀薄，受太陽或宇宙線的輻射后，氣體分子產生電離，形成電離層。大氣電離層能使電磁波折射，反射，散射，吸收，嚴重影響微波通信，會吸收能量和引起信號畸變。一般說來，氣溫高，電離層活躍，RTK精度低，應避免在高溫中測量。


4.2被工作環境干擾


微波的自身特性導致其易受相關環境干擾，如磁場，同頻噪音等，因此在利用RTK技術施測時，應避免在高壓線、無線電臺、電視信號發射塔、移動通信基站、大型金屬建筑物，強能量噪聲源等附近，同時也要保證施測點位周圍垂直角15度以上天空無障礙物。


4.3受衛星狀況限制


根據GPS空間衛星群的均勻分布，任何時間和任何地點地平線以上可以至少接收到4顆GPS衛星發送出的信號，但如想得到穩定的測量精度，接收的衛星信號應達到5顆。因此，一般情況下，高山峽谷深處、密集森林區及城市高樓密布區等地區接受到的衛星信號較少，不適宜采用GPS技術測量。


4.4高層測量誤差較大


用GPS技術進行高程測量時，誤差較大，遠達不到常規測量的精度。因為GPS技術是基于大地坐標，如果想準確的轉換為海拔高程十分困難，更何況我國現有的高程異常圖存在較大誤差，在有些地區甚至還是空白。但是實施常規的幾何水準測量有困難的地區，GPS高程測量無疑還是一種有效的測量手段。


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RTK技術在地籍測量中的應用


地籍測量是對地塊權屬界線的界址點坐標進行精確測定，并把地塊及其附著物的位置、面積、權屬關系和利用狀況等要素準確地繪制在圖紙上和記錄在專門的表冊中的測繪工作。地籍測量的成果包括數據集（控制點和界址點坐標等）、地籍圖和地籍冊。地籍測量主要應用GPS-RTKR的兩大功能：靜態功能和動態功能。靜態功能是通過接收到的衛星信息，確定地點某點的三維坐標；動態功能是通過衛星系統，把已知的三維坐標點位，實地放樣地面上。


5.1控制測量


傳統的控制測量采用三角網、導線網方法來施測，不僅費工費時，要求點間通視，且精度分布不均勻，在外業中也不知精度如何，采用常規的GPS靜態測量，在外業測量過程中不能實時知道定位精度。外業完成后，回到內業處理后發現精度不合要求，還必須返測，而采用RTK來進行控制測量，在測量過程中，同時接收基準站和衛星的同步觀測數據，實時解算整周未知數和用戶站的三維坐標，如果解算結果的變化趨于穩定，且其精度已滿足設計要求，便可以結束實時觀測，這樣可以大大提高作業效率。


5.2土地利用動態測量


主要包括宗地測量、土地利用更新調查測量和違法用地測量等。傳統的測量方法是利用已知控制點，利用全站儀逐步測量待測點，再根據解析法計算待測點坐標，都要求待測點和控制點完全通視，操作人員一般為2-3人。采用RTK技術后，僅需一人背著儀器到要測的待測點或特征點上停留一二秒鐘，同時輸入特征編碼，把一整個區域或宗地測完后回到室內，由專業的軟件接口就可以輸出所要求的圖幅。如配合電子手簿可以測量各種地圖，如鐵路帶狀地籍圖、電力線路地籍圖、水利流域地籍圖等專題圖件。


5.3界址點放樣測量


建設用地勘測定界是界址點放樣測量的主要內容，工作要求是采用一定儀器把人設計好的點位在實地給標定出來。傳統常規的放樣方法很多，如經緯儀交會放樣，全站儀的邊角放樣等，一般要放樣出一個設計點位時，往往需要多次來回移動目標，而且需要2-3人操作。如果點位互不通視，那么還需利用更多的已知點，程序十分復雜，工作效率很低。采用RTK技術放樣時，僅需把設計好的點位坐標輸入到電子手簿中，背著GPS接收機，它會提醒你走到要放樣點的位置，既迅速又方便，由于GPS是通過坐標來直接放樣的，而且精度很高也很均勻，因而在外業放樣中效率會大大提高，且只需一個人操作。


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結語

實踐證明，GPS-RTK具有極高的測量精度，其作業模式能進一步提高測量作業效率，降低勞動強度，節省測量費用，使測量變更更加輕松容易。

隨著GPS技術特別是RTK技術的發展，各個廠家相繼推出了具有自主專利技術的儀器，其初始化時間越來越短，跟蹤能力也越來越強，精度越來越高，可靠性越來越好，有著良好的性價比，在測量工作中具有代替全站儀的趨勢，是地籍測量的一項革命性的技術創新，它必將對傳統的作業理念予以更新。