阐述水利水电工程中GPS RTK测量技术应用

摘　要： GPS技术已经被广泛地应用于各个领域,尤其在水利工程测量中的应用前景非常广阔。笔者根据GPS RTK测量技术及原理；对RTK在水利工程测量中的应用及RTK的主要误差来源及受限因素，分别提出了RTK的误差控制和提高测量成果质量的主要方法；

关键词：水利工程测量；RTK技术
1 GPS RTK测量技术及原理
　　RTK　　(Real Time Kinematic)测量技术即实时动态测量技术，是以载波相位测量与数据传输技术相结合的实时差分GPS测量技术，是GPS测量技术发展里程中的一个重要标志。它由三部分组成：　　(1)基准站接收机；　　(2)数据链；　　(3)流动站接收机。
　　RTK工作原理是：利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台接收机在已知高等级点上　　(基准站)安置，对所有可见卫星进行连续的观测，并将其观测数据和测站信息，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，即未知点上的另一台GPS接收机。流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线接收设备，接收基准站传输的数据，然后根据载波相位差分技术的原理，实时解算出流动站的三维坐标及其精度，实现实施高精度定位。
2 相对于传统测量及GPS常规测量，RTK测量主要的特点
　　(1)定位精度高。RTK测量标称精度可达到：lcm+1ppm　　(平面)，2cm+lppm　　(高程)。
　　(2)实时、快速提供三维坐标。RTK通过实时处理2s内即可测得三维坐标。
　　(3)作业距离远、操作简便、效率高。作业半径能达到10km。RTK技术的自动化程度高，观测人员主要工作是设置好基准站，然后进行流动站作业，而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。如采用1+2配置，即1台基站，2台移动站，2个测量小组可以同时施测，可减轻现场测量人员的劳动强度，提高工作效率。
　　(4)测站之间无需通视，是相互独立的观测值，不存在误差积累传播。
3 水利工程中应用GPS RTK测量技术
3．1 控制点加密的测量
　　在首级控制网的基础上，为满足地形图及断面等测量的需要，必须进行加密控制点的测量。而水利水电工程多位于偏远地区，已知高等级控制点较少，常规的控制测量方法是测距仪导线，测量精度受到很多条件限制，且工作量大。而用GPS RTK加密测量控制点则很简单，只需在测区10km范围内有3个以上且包含测区的高等级测量控制点即可，操作简单方便，平均每天可测量30～40个加密控制点，效率较高。
3．2 水下地形测量
　　水利工程测量最难的是水下地形测量，水下地形复杂，作业条件差，而水下地形资料的准确性对水利工程建设十分重要。传统水下地形测量方法大多采用经纬仪交汇或全站仪配合测深仪，其缺点是：精度不高，测区范围有限，工作量大，人员配置多等。随着GPS 测量技术在测量中的空前发展，水下地形测量也较多地采用GPS RTK技术，主要设备有：双频Trimble GPS 5700 RTK，中海达数字单　　(双)频测深仪，海洋测量软件。进行GPS RTK水下地形测量的步骤是：将GPS、测深仪和笔记本电脑连接成一体，导航软件对测量船进行定位，并指导测量船在指定测量断面上航行，GPS和测深仪将实时测得数据导入笔记本电脑，由海洋测量软件处理生成水下地形图或导出*．Dat数据，再由成图软件绘制水下地形图。
　　从几年测量结果来看，GPS在水下地形测量的应用，大大提高了测量的精度，减少了工作量，缩短了工作日，并且输出的数字化的水下地形图为今后地理信息系统（GIS）的建立和管理创造了有利的条件。
3．3 施工放样测量
　　利用RTK随机软件中放样的功能进行点、直线、曲线放样功能，进行施工放样测量。输入设计好的已知坐标作为参考点和目标点，流动站实地所在位置的坐标作为修正点，电子手簿屏幕上的图形显示出实地待定点相对于目标点所偏移的距离，按照指示移动流动站，直到满足所要求的精度。同样方法可以用来复样及检查验收。
3．4 数字化地形图测量
　　利用RTK快速定位和实时得到坐标结果的特点，在一定的测量环境中可以进行地形测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，采集完的地形点经过成图处理，生成数字化管道地形图。地形点的采集可以单人作业，极大地节约了人力和时间。
4 RTK的误差来源与受限因素分析
4．1 主要误差来源
　　GPSRTK的误差一般分可为三类：
  （1）与GPS卫星和RTK仪器有关的误差：包括GPS卫星轨道误差、钟误差、RTK天线相位中心变化等。
  （2）与信号传播有关的误差：包括大气延迟误差（即电离层误差）、对流层误差、多路径效应误差、信号干扰误差等。
  （3）与操作人员有关的误差：包括基准站误差、转换参数引起的误差、基准站与流动站之间的距离、基准站与流动站操作人员（数据链）误差等。
4．2 受限因素分析
  （1） 受卫星状况限制
　　当卫星系统位置对美国是最佳的时候，世界上有些国家在某一确定的时间段仍然不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处、密集森林区或城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使一天中可作业时间受限制。产生假值问题采用RTK测量成果的质量控制方法可以发现。作业时间受限制可由选择作业时间或加密控制点等来解决。
  （2）空间环境影响
　　白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，常接受不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。在某市郊区，我们做过试验，在同样的条件和同样的地点上进行RTK测量，上午11：O0之前和下午3：30之后，RTK测量结果准而快，而中午时分，很难进行RTK测量。可见选择作业时段的重要性。另外为了削弱电磁波辐射干扰作用，选点时应远离干扰源，如离无线台发射塔200米外。
  （3）作业半径比标称距离小的问题
　　RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响测量精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外，当RTK作业半径超过一定距离　　(一般为几公里，每种机型在不同的环境又各不相同)时，测量结果误差超限，所以RTK的实际作业有效半径比其标称半径要小很多，工程实践和专门研究都证明了这一点。解决这类问题的有效办法是把基准站布设在测区中央的最高点上。
  （4）初始化能力和所需时间问题
    在山区、一般林区、城镇 密楼区等地作业时，GPS卫星信号被阻挡机会较多。容易造成失锁，采用RTK作业时有时需要经常重新初始化。这样测量的精度和效率都受影响。解决这类问题的办法主要是选用初始化能力强、所需时间短的RTK机型。
  （5） 高程异常问题
　　RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。局部地区（特别是矿区）受地球磁场的影响，还存在高程异常突变的问题。
5 误差控制和提高RTK测量成果质量的主要方法
　　研究表明，RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%，RTK 比静态GPS还多出一些误差因素，如数据链传输误差等。因此，和GPS静态测量相比，RTK测量更容易出错，必须进行质量控制。
5.1 控制RTK误差的主要方法
  （1）GPS卫星和RTK仪器有关的误差控制。GPS卫星轨道误差及钟误差来源于GPS卫星本身，就RTK测量　　(短基线)来言，影响很小，该两项误差可以忽略不计。而RTK天线相位中心变化误差则可通过观测值的差分来削弱相位中心偏移的影响，同时要求接收机的天线应按天线附有的方位标志进行定向，必要时还应进行天线检验校正。
  （2）信号传播有关的误差控制。大气延迟及对流层误差属于GPS卫星到地面电磁波传播而产生的误差，一般来说通过双频RTK同步差分及控制天线高度角（>15°）来得到有效消除。多路径效应误差和信号干扰误差是RTK定位测量中最严重的误差，它源于天线周围的环境的发射波和干扰源，一般为几个厘米，高反射、高干扰环境下可达十几厘米。控制多路径效应误差的最有效方法是选择开阔地，远离大面积水域、大型建筑物等发射源。控制信号干扰误差的最有效方法是远离雷达站、无线电、电磁波、高压线等干扰源。
  （3）操作过程有关的误差控制。控制基准站误差、转换参数引起的误差的方法是提高基准站精度和密度，提高转换参数的准确度。而控制数据链误差的主要方法是选择合适的作业半径（<10km）,当信号干扰较大时还应进一步缩小作业半径。
5.2 提高RTK测量成果质量的其他措施
　　(1)已知点检核比较法。在布设控制网时用静态GPS或全站仪多测出一些控制点，然后用RTK测出这些控制点的坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正。
　　(2)重测比较法。每次初始化成功后，先重测l～2个已测过的RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。
　　(3)电台变频实时检测法。在测区内建立2个以上基准站，每个基准站采用不同的频率发送改正数据，流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据从而得到2个以上解算结果，比较这些结果就可判断其质量高低。
　　以上方法中，最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果，电台变频实时检测法的实时性好，但它需具备一定的仪器条件。
结语
　　几年来，通过RTK测量技术在水利工程测量中加密控制测量、水下地形测量和施工放样等方面的实践，探讨了该技术在水利工程测量中的主要误差来源和受限因数，提出RTK测量误差控制和提高成果质量的主要方法。目的是为了今后在水利水电或其他行业更广泛地推广和使用先进的RTK技术，提高测量成果质量和工作效率。