淺談RTK技術(shù)在小水利工程中的應(yīng)用
摘要:隨著科技的不斷進(jìn)步，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS在測(cè)量領(lǐng)域不斷得到發(fā)展，特別是近幾年RTK性能的不短完善，RTK更是得到大家的親賴。它操作簡(jiǎn)單，精度高，也讓大家確實(shí)減少了不少工作量，提高了效益。RTK技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量改變了傳統(tǒng)的從高級(jí)到低級(jí)的作業(yè)方式，可以直接在首級(jí)控制點(diǎn)下直接步設(shè)圖根點(diǎn)，誤差無(wú)積累。
關(guān)鍵詞:GPS；RTK；精度；水利工程；
一認(rèn)識(shí)幾個(gè)基本概念
我們知道，GPS的定位原理就是利用空間分布的衛(wèi)星（21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星）以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)的距離交會(huì)得出地面點(diǎn)的位置，亦即空間的距離交會(huì)原理。其定位方法按照參考點(diǎn)的位置不同可分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位。
GPS絕對(duì)定位又叫單點(diǎn)定位，即以GPS衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線在WGS-84坐標(biāo)系中相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)（地球質(zhì)心）的絕對(duì)位置。根據(jù)用戶接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同，分為靜態(tài)絕對(duì)定位和動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位。靜態(tài)絕對(duì)定位的精度為米級(jí)，主要用于大地測(cè)量；而動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位的精度為10～40m，只能用于一般性的導(dǎo)航定位中。
GPS相對(duì)定位是用兩臺(tái)GPS分別安置在基線的兩端，同步觀測(cè)相同的衛(wèi)星，通過(guò)兩測(cè)站同步采集GPS數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理以確定基線兩端點(diǎn)的相對(duì)位置（或基線向量）。根據(jù)定位過(guò)程中接收機(jī)天線所處的狀態(tài)不同，GPS相對(duì)定位分為靜態(tài)相對(duì)定位和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位。靜態(tài)相對(duì)定位也就是我們常說(shuō)的GPS靜態(tài)測(cè)量，它是通過(guò)接收機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)獲得充分的多余觀測(cè)數(shù)據(jù)，解算基線向量，求得控制點(diǎn)的坐標(biāo)值。（解算過(guò)程很復(fù)雜，一般用軟件才能進(jìn)行。這里就不寫了。）動(dòng)態(tài)相對(duì)定位也稱為差分GPS定位，按照提供修正數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)站的數(shù)量不同，可分為單基準(zhǔn)站差分和多基準(zhǔn)站差分，單基準(zhǔn)站差分根據(jù)基準(zhǔn)站所發(fā)送的修正數(shù)據(jù)的類型不同又分為位置差分、偽距差分、載波相位差分。載波相位差分又稱RTK技術(shù)，通過(guò)對(duì)兩測(cè)站的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)精度的三維坐標(biāo)。（處理過(guò)程很復(fù)雜，一般用機(jī)內(nèi)軟件自動(dòng)進(jìn)行。這里就不寫了。）
二對(duì)RTK技術(shù)的認(rèn)識(shí)
載波相位差分的基本原理是：由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)地將其載波相位觀測(cè)量及基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息一同發(fā)送到用戶站（移動(dòng)站），并與用戶站（移動(dòng)站）的載波相位觀測(cè)量進(jìn)行差分處理，實(shí)時(shí)地給出用戶站（移動(dòng)站）的精確坐標(biāo)。
與RTK定位有關(guān)的誤差：
�、倥c無(wú)線數(shù)據(jù)鏈有關(guān)的誤差
由于實(shí)施動(dòng)態(tài)差分GPS定位技術(shù)的便攜電臺(tái)多為直接傳輸超高頻（UHF）電臺(tái)，在傳輸信道內(nèi)部噪聲及其造成的符號(hào)間干擾，不可避免地會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)差，使得RTK流動(dòng)接收機(jī)接收誤碼的信息，影響RTK定位結(jié)果的正確性。這類誤差可歸納為：1）差分信息調(diào)制誤差；2）差分信息調(diào)解誤差；3）外界環(huán)境干擾影響。以上因素可通過(guò)選擇或調(diào)整調(diào)制解調(diào)器相關(guān)參數(shù)，將誤碼率控制在最小范圍之內(nèi)，甚至可將誤差控制在10-9數(shù)量級(jí)。
②與流動(dòng)站及其觀測(cè)作業(yè)有關(guān)的誤差
RTK動(dòng)態(tài)作業(yè)時(shí)載體瞬時(shí)姿態(tài)改正精度是一項(xiàng)重要的誤差來(lái)源。進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)作業(yè)時(shí)，在待定點(diǎn)P上無(wú)法實(shí)時(shí)確定天線動(dòng)態(tài)瞬時(shí)姿態(tài)，
如圖所示，地面坡度或天線對(duì)中桿傾斜姿態(tài)角使P點(diǎn)鉛垂方向A偏移B，即引起平面和高程誤差，如果姿態(tài)改正分別為△P和△h,很小時(shí),可按下圖例出兩項(xiàng)誤差改正模型:
△P=h0•sin
△h=h1+h2=h0(sec-1)+h2
式中△P---姿態(tài)角即坡度引起的平面誤差;
△h---姿態(tài)角即坡度引起的高程誤差.
當(dāng)取h0≤2m、≤5°時(shí)，姿態(tài)角引起的平面誤差△P如下表：
從表中可以看出，姿態(tài)角引起的平面誤差△P隨姿態(tài)角和天線高度的增大而迅速增加。實(shí)際RTK作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量在待定點(diǎn)上以靜態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方式置平對(duì)中和確定控制天線高度在1.5m以下。那么這項(xiàng)誤差可望控制在±1cm左右。
一般來(lái)自地面本身的不規(guī)則起伏應(yīng)在3cm以內(nèi)，當(dāng)取h0≤2m、≤5°、h2=0.030m時(shí)，姿態(tài)角引起的高程誤差△h如下表：
從表中可以看出，姿態(tài)角引起的高程誤差△h主要受來(lái)自地表本身的不規(guī)則起伏變化影響。實(shí)際RTK作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量在待定點(diǎn)上以靜態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)方式置平對(duì)中和確定控制天線高度在1.5m以下。那么這項(xiàng)誤差可望控制在1cm左右。
三實(shí)際應(yīng)用例子
2007年12月，我單位承接湖南省新晃縣杉木塘水電站的勘測(cè)和設(shè)計(jì)。該工程是一個(gè)引水式發(fā)電工程，有大壩、廠房及1.7公里長(zhǎng)的遂道開挖，地理位置屬于起伏較大的山嶺地區(qū)，大壩與廠房之間有好幾座大山。如果采用老式三角測(cè)量的方法建立控制網(wǎng)，那工作量就相當(dāng)?shù)拇蟆？僧?dāng)時(shí)時(shí)間很緊迫，考慮到RTK的精度為：平面精度1cm+Dppm,垂直精度2cm+Dppm，完全滿足我們水利水電工程測(cè)量規(guī)范精度。于是我們決定用RTK做控制，先把大壩、遂道進(jìn)出口、廠房段的地形圖以及水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)的淹沒調(diào)查等工作做完。以后再做GPS靜態(tài)控制測(cè)量。我們按照E等GPS網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在樞紐部分共布設(shè)了5個(gè)（編號(hào)分別為：SC1、SC2、SC3、SJ0、SJ3）控制點(diǎn)（具體見控制點(diǎn)平面布置圖）�！�
先用水準(zhǔn)儀按照四等水準(zhǔn)要求，分別在隧道進(jìn)出口附近各埋設(shè)了一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，作為施工放樣高程原點(diǎn)并測(cè)得SC1點(diǎn)的水準(zhǔn)高程為306.213米。然后我們以SC1(3029.26,36623.96，306.213)點(diǎn)為基點(diǎn),用懸掛羅盤定方位角建立了一個(gè)獨(dú)立直角坐標(biāo)系統(tǒng)。用2″級(jí)索佳全站儀實(shí)測(cè)得SC2的坐標(biāo)為(3462.221,37265.857，318.224)。有了起始基線SC1—SC2，我們用中海達(dá)HD-5800G進(jìn)行RTK測(cè)量。求得轉(zhuǎn)換參數(shù)后，用對(duì)點(diǎn)器對(duì)中采集各控制點(diǎn)，其成果如下表
以此成果,我們完成了所有的外業(yè)工作。
考慮到隧道的開挖，并且業(yè)主要求提供測(cè)量成果報(bào)告書，于是我們于工程開工前做了GPS靜態(tài)測(cè)量。用3臺(tái)靜態(tài)GPS，按照如下三角形圖形進(jìn)行觀測(cè)：SC1-SC2-SC3；SC1-SC2-SJ0；SC1-SC2-SJ3；SC2-SJ0-SJ3；SC3-SJ0-SJ3。每測(cè)站觀測(cè)時(shí)間不少于50分鐘。通過(guò)HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件處理，最后平差結(jié)果如下：
最終坐標(biāo)平差值
最弱點(diǎn)平面中誤差
從最終坐標(biāo)平差值成果來(lái)看，RTK測(cè)量的成果與GPS靜態(tài)測(cè)量的成果基本相同。通過(guò)比較，SC3點(diǎn)偏差0.012m、SJ0點(diǎn)偏差0.011m、SJ3點(diǎn)偏差0.015m。
假設(shè)SC3點(diǎn)上的中誤差是壘加的，那么基線最弱邊（SC1-SC3）相對(duì)中誤差=（0.0061+0.012）/262.353=1/14494。也能滿足規(guī)范的要求。后來(lái)我們給施工方提交了靜態(tài)測(cè)量成果。經(jīng)過(guò)將近一年的施工，隧道在中間順利貫通。
四結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)多年的實(shí)際操作與運(yùn)用，本文筆者得出結(jié)論:①RTK技術(shù)測(cè)量在小水利工程中不僅能做碎部點(diǎn)測(cè)量、施工放樣、庫(kù)區(qū)高程測(cè)量，而且能做控制測(cè)量。②但是在做控制測(cè)量時(shí)，一定要用對(duì)點(diǎn)器對(duì)中整平并且要選擇好的時(shí)段，力求在固定解的誤差最小時(shí)采集數(shù)據(jù)。
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