浅析GPSRTK误差来源及减弱误差的方法

论文导读：观测方案及精度分析。影响GPSRTK精度和可靠性的因素。可靠性，浅析GPSRTK误差来源及减弱误差的方法。
关键词：GPSRTK测量，精度分析，可靠性
 

1 引言

二十世纪下半叶是测绘技术迅猛发展的时期，特别是近十多年来，它获得了突出的成就。促进这一时期飞跃前进的因素之一就是测量仪器的迅速发展，其中有代表性的是GPS RTK的出现和使用。它既克服了常规测量要求点间通视、费工费时、精度不均、外业不能实时知道测量成果和测量精度的缺点，又避免了GPS静态定位及快速静态相对定位需要进行后处理的缺点，若内业后处理中发现精度不合乎要求，就需进行返工。目前RTK实时三维精度可以达到厘米级， 但受观测条件和其它因素的影响，RTK测量成果偶尔会产生错误，若不采取必要措施剔除这些错误成果，会对测绘工作造成严重后果[1]。本文主要分析影响GPS RTK内、外符合精度与可靠性的因素，提出切实可行的方法和措施，保证测绘成果的质量，为测绘生产提供技术支持和理论依据。

2 GPS RTK定位原理

GPS RTK是根据 GPS的相对定位概念，将一台接收机放在已知点上(称为基地站)，另一台或几台接收机放在新点上(称为移动站)，同步采集相同卫星的信号如下图1：

图1 RTK原理

将这些观测值进行差分，可削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，实时定位，精度能大大提高。

RTK采用载波相位观测值，能直接导出卫星和天线之间的总波长数，并能解算模糊值。在通常的GPS测量中，需要将两点之间的观测值进行后处理才能求出总波长数和模糊值。论文格式，可靠性。在 RTK中，基地站的观测值是通过无线电数据链播发给移动站进行数据的实时处理。由于近年来研究出实时解算模糊值的算法(称为“途中”解算，或称为 OTF)，使 RTK成为可能。这些求模糊值的算法能在接收机运动过程中解算模糊值。目前，在正常条件下，用 RTK解算模糊值只需要10—60s的观测值。一旦求出模糊值，即可开始RTK测量。当卫星失锁或至基地站的数据链中断时，此模糊值即已失效，此时必须重新求定模糊值。因为多数观测者在各点之间迁站都是步行，即使卫星失锁或数据链信号中断，在步行途中，RTK系统也能自动进行模糊值初始化。

基准站设置在坐标为已知的参考点上，如下图2：

图2 基准站

GPS天线安置在参考点的上方。GPS接收机连续采集数据，并通过无线电数据链或GSM电话播发给移动站。

3 影响GPSRTK精度和可靠性的因素

3.1 GPS系统

GPS系统本身的影响因素用户无法控制，这些因素包括GPS卫星星数、卫星图形和大气状况。在OTF解算未知的模糊值时，至少需要有5颗共同星,星数越多解算模糊值时的速度越快,越可靠。研究表明,星数增加太多，对提高RTK点位的精度不显著，但观测更多的卫星将提高观测成果的可靠性。卫星图形影响观测成果质量，当卫星均匀分时，布在整个天空时成果质量最可用卫星数越多，卫星图形越好。对流层和电离层都会对GPS信号传播造成影响，电离层的影响随时间和空间波动较大，因此信号到达基准站和流动站时将不同程度的受其影响，而且基线越长，影响越大。在正常情况下，当点间距离较短时，其影响能够模拟，残差可通过观测值的差分处理得到削弱或消除。RTK测量的基线长度，同轨道误差和大气影响密切相关，基线越长，电离层和对流层的误差越大，观测结果的误差也越大，解算结果的可靠度也越低[2]。

3.2 RTK系统

RTK系统的影响因子主要包括数据链、天线类型和处理软件，所以RTK设备的优劣，不仅影响测量精度，而且也影响成果的可靠性。

3.3 环境

环境对RTK影响的因素主要有地形、基准站与流动站之间的障碍物、平面覆盖、多路径误差、电波干扰等。

3.4 观测方案

观测方案对RTK结果的质量和可靠性产生重大影响，观测方案的主要内容有： 基准站位置的选择、坐标系统的选择、历元数、观测次数等。论文格式，可靠性。

3.5 观测者的技术和经验

观测者的专业水平和经验对成果的精度和可靠性影响很大，例如：对中误差、测量天线高等，都将影响测出的全部坐标。

3.6 其他因素

由于RTK作业方式特殊，有特有的误差影响，同时RTK作业实时快速，但缺少必要的检核条件，所以测量成果也存在着不可靠性[3]。其主要影响因素如下：

（1）转换参数的影响。由于GPS 测量采用WGS284坐标系统，而我国目前所采用坐标系统为1954年北京坐标系（或1980国家大地坐标系、地方坐标系统等） ，高程基准为1956年黄海高程系（或1985国家高程基准），所以GPS RTK测量时必须先求解转换参数，以便将WGS284坐标转到地方坐标（或1954年北京坐标系、1980 国家大地坐标系等，下同）。转换参数的求解是RTK测量的基础，转换参数的精确程度是影响RTK测量精度的关键因素。

（2）测量作业的控制区域。测量作业范围受转换控制点的约束，一般应在转换控制点的控制圆区域内作业，否则测量精度就大受影响。

（3）卫星信号的影响。GPS是通过卫星来定位的，卫星信号的接收是GPS定位的基础。GPS测量要求基准站和流动站的天线能同时接收到相同的5颗或5颗以上的卫星信号，才能保证正确解算。由于卫星分布随时间变化而变化，不同时段卫星数量和位置都不同。在卫星数量较多和位置图形较佳时，天线接收信号较好，初始化时间就短，精度较高；反之，即使天空中有5颗以上的卫星，但由于基准站和流动站没能同时接收到足够的卫星信号，使初始化时间很长，测量精度很差，甚至不能解算出固定解。论文格式，可靠性。同时，由于基准站或流动站选择位置不当，会使部分卫星信号被高楼等建筑物阻挡，出现卫星数量不足；或卫星信号被周围物体反射再接收而产生“多路径效应”，使测量出现错误。（4） RTK基准站数据链传输的影响。因RTK测量时要求基准站GPS接收机实时地把观测数据和基准站已知数据通过无线电发射，传输给流动站GPS接收机，所以无线电信号的传输在RTK测量中至关重要。但无线电的数据链信号在传输时容易被高楼、山峰等阻挡，也可能被其他电磁波干扰或出现信号异常，所以对RTK流动站的电台接收RTK测量的可靠性影响很大。

（5）流动站方式影响。流动站一般有对中杆和三脚架两种方式。使用对中杆方便，但天线不固定，精度起伏大；使用三脚架稍繁琐，但精度稳定。

（6）电源的影响。如果电量不足，不但影响卫星信号和无线电数据的接收，产生不可靠的坐标数据，甚至可能无法开展RTK测量。

4 GPS RTK观测方案及精度分析

4.1 GPS RTK外业观测方法和精度分析

将基准站选择在测区中央时，到达测区内各个点的基线长较均匀，则其误差分布也较均匀，将基准站选择在测区边缘时，则离基准站远的地方精度就不如离基准站近的，因为RTK是靠无线电传输数据的，受基线长度影响，而且距离越远其中间的干扰因素就有可能多。以下数据是分别将基准站选择在测区中央和测区边缘的GPS RTK观测数据和坐标真值的比较（平面坐标为一级GPS静态平差数据，高程为四等水准高程）。

表4.1 基准站选在测区中央

表4.2 基准站选在测区边缘

表4.3坐标真值

通过采集数据比较，当基准站选在测区中央时精度较高。当基准点选在测区中央时，在测量过程中，每个点基线长都在作业半径内，采集数据快且误差分布均匀，点的观测精度相对就高。

4.2 GPS RTK测量精度分析

当对某个量进行重复观测时就会发现，这些测量值之间往往存在一些差异。例如观测一个平面三角形的三个内角，就会发现其观测值之和不等于180°，这种在同一个量的各观测值之间，或在各观测值与其理论上的应有值之间存在差异的现象，在测量工作中是普遍存在的。

观测误差产生的原因很多，概括起来有以下三个方面：

1、测量仪器

由于每一种仪器只具有一定限度的准确度，由此观测的数据必然带有误差。同时，仪器本身也有一定的误差，如GPS接受机所采集的数据存在着仪器的误差。

2、观测者

由于观测者的感觉器官的鉴别能力有一定的局限，所以在仪器的操作过程中也会产生误差。论文格式，可靠性。同时，观测者的技术水平和工作态度也是对观测数据质量有直接影响的重要因素。

3、外界条件

测量时的外界条件，如温度、湿度、风力、大气折光等因素和变化都会对观测的数据直接产生影响。特别是高精度的测量，更重视外界条件产生的观测误差。例如。GPS接收机所接收的是来自2万千米高空的卫星信号，经过电离层、大气层都会发生信号延迟产生的误差。

上述测量仪器、测量者、外界条件三方面的因素是引起误差的主要来源，由此可见，观测条件的好坏与观测成果的质量有密切联系。当观测条件好的时候，观测中所产生的误差相应地小些，因而观测成果的质量就会高一些。如果观测条件相同，观测成果的质量也就可以说是相同的。所以说，观测成果的质量高低也客观地反应了观测条件的优劣[4]。

在GPS RTK施测过程中，应两次观测取平均值，即双基准站的方法进行测量既可提高精度，又可确保成果的可靠性。论文格式，可靠性。

5 提高精度和可靠性的措施

5.1 转换参数的合理求解

一般转换参数求解时，尽量用高等级的控制点作为转换控制点，且转换控制点尽量分布均匀、包含整个测区。论文格式，可靠性。如果待测区域没有足够的转换控制点，最好先布设转换控制点，用静态方式一起测量，平差求出所需的WGS284坐标和地方坐标。

5.2 基准站的选择

因需要接收足够的卫星信号和发射RTK无线电数据链,基准站上空应无大面积遮蔽和影响数据链通讯的无线电干扰，并避免多路径效应，因此RTK基准站点位应选择在视野开阔的建筑物顶部或地势较高处，避开电视、电台发射塔、微波站、飞机场、高压线、和大面积水域等。实践表明，一个地区经常使用的RTK流动站，最好做成强制归心礅，并做好电台发射天线的辅助竿和仪器安放箱，方便RTK作业，又便于利用原有转换参数和坐标成果，提高RTK精度。

5.3 流动站方式的选择

除了地形地貌测量和放样外，对控制点和其他可选择位置的待测点，流动站应与基准站一样，选择合适的位置，避免卫星信号和数据链通讯的影响及多路径效应的产生。

5.4 作业时段选择

为使RTK作业时能接收到足够多卫星信号,作业前,先要查看卫星数量和位置情况,选择最佳的时段进行RTK作业。同时,为减小电离层、对流层影响,应避开14:00:00左右时段。

5.5 电源供应

每次RTK测量前,需电源充足,保证RTK作业顺利进行。如果是固定的基准站电台,还可以用交直流转换稳压器代替汽车电瓶。

5.6 多基准测量

为保证RTK测量精度的可靠,在同一地区,可以建立多个固定的基准站点,并统一求解转换参数和基准站点的WGS284坐标。在RTK测量过程中,对同一待测点,用不同基准站点分别测量坐标,在限差范围内求均值。

5.7 测前测后的控制点检验

为保证RTK测量的可靠性，建议在每个基准站点附近设立几个检验控制点，每次RTK作业前，在架好基准站并流动站初始化后，就测试检验控制点，以判断卫星信号的正常情况和仪器的操作是否正确；在每次RTK后，需测试检验控制点，再次检测卫星信号的正常情况， 来判断前面所测点位的可靠性。

6　结论

本文介绍了提高GPS RTK观测精度和可靠性的一些方法，希望本文能对大家在以后使用GPS RTK过程中起到参考作用。

参考文献
[1]石金峰，李新慧，杨培章。RTK技术及其在控制测量中的应用[J].2004，（6）
[2]张凤举，王宝山。GPS定位技术[M]. 北京： 煤炭工业出版社，1997
[3]马捷。提高GPS RTK测点精度和可靠性的探讨[J].中州煤炭，2003，（140）
[4]孔祥元，郭际明等1大地测量学基础[M ] 1武汉：武汉大学出版社，2001