关于控制网中提高GPS-RTK作业精度的探讨

作者:未知

  摘 要 近年来,GPS定位技术系统在中国得到了广泛的应用。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能,能为各类用户提供精密的三维坐标测量工具系统。其中的RTK技术近年来发展更是非常迅速,它除具有GPS测量的优点外,同时具有观测时间短、能实现坐标实时解算的优点,在各种控制测量、地形测图、工程选线及工程放样中广泛应用,与常规仪器相比非常明显地提高了作业效率和作业精度。特别是在城市规划测量中,城市Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级导线大多位于地面。随着城市建设的飞速发展,这些点常常遭到破坏,而常规测量一般要求点间通视,且费工费时。基于这种状况,RTK技术因为其高精度(厘米级)、 快捷(几秒钟)、方便(已知点之间、已知点与目标点之间都不需要通视),迅速得到了广泛的应用。本文着重探讨控制网中提高GPS-RTK作业精度
  关键词 坐标;精度;控制点
  1 影响GPS- RTK作业精度的因素分析
  根据RTK的原理,参考站和流动站直接采集的都是WGS84坐标,参考站一般以一个WGS84坐标作为起始值来发射,实时的计算点位误差并由电台发射出去,流动站同步接收WGS84坐标并通过电台来接收参考站的数据。条件满足后就可得到固定解,流动站就可实时得到高精度的相对于参考站的WGS84三维坐标,这样就保证了参考站与流动站之间的测量精度。但是在城市规划测量的作业实践中,实际工程中所用到的往往是当地的坐标系统(比如北京54坐标系统、西安80坐标系统),都是基于经典大地测量方法所获得的坐标系统。所以需要把GPS测得的WGS84坐标符合到已有的已知点上,这就需要先计算获得两个坐标系统之间的转换参数。
  因为经典大地测量受局部地球物理因素,如地壳运动、局部大气等影响,以及累积误差的存在,再考虑到当时仪器精度的限制,这些坐标系统都不可避免地存在局部变形(北京54与西安80经相似变换后往往还存在米级的残差)。而所使用的城市各级控制网,也大多还都是从高级大地点起算通过常规导线测量方法逐级布设而成,不可避免地存在着各种误差及变形,这些误差和变形与高精度的GPS观测是相互矛盾的。在利用现有坐标系统的同时,为了保证数据的一致性,有时则不得不迁就已有控制网的扭曲和变形。
  那么如何能够在利用现有坐标系统的同时,去判别已有控制网的扭曲,升消除最弱点,尽量简化日常RTK作业的程序并提高测量精度呢?依据RTK的测量原理可知,RTK的测量精度包括两部分:GPS的测量误差和坐标系转换带来的误差。GPS的测量误差又分为三个部分:第一部分是每一个用户接收机所共有的,如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等;第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差:第三部分为各用户接收机所固有的误差,如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术第一部分误 差可完全消除,第二部分误差大部分可以消除,这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除,只能靠提高GPS接收机本身的技术指标来减弱。
  坐标系转换带来的误差有两个误差源:是已知点误差的传递,二是投影带来的误差。该项误差主要取决于已知点的精度和已知点的分布情况。所以如果需要提高RTK作业的精度,除去根据卫星的几何分布选择合适的观测时段之外,唯一能做的就是提高已知点的精度,及选择合理分布的已知点来求取测区的优化坐标转换参数[1]。
  2 提高RTK精度的方法
  下面逐步介绍如何利用概率统计理论,按照分组合求取辅助转换参数、最优组合选择、并选择高精度控制点和分区求取数最优坐标转换参数。
  首先假设在测区内有许多个控制点,并且该控制点的当地坐标和WGS84坐标均已知。没有WGS84坐标的,小区域的可以通过RTK的方式获得,测区较大的可以通过快速静态的方式获得。需要注意的是,这时如果当地没有WGS84固定点,并且测区较大观测周期较长,那么需要假定1个WGS84固定点。通过实地踏勘,剔除那些周边环境不符合GPS观测要求的,比如距离高压线、微波站、无线电台等过近,水平视线高度角15°以上有阻挡物等(可以根据实际情况适当放宽要求)。假设最终符合GPS观测要求的有n个控制点。
  2.1 分组合求取辅助转换参数
  在n个控制点中任取3个控制点作为一个组合,则组合的个数为Cn3个,分别利用各组合中已知的3组WGS84坐标与本地坐标的数据来求出该组合的坐标系转换参数(以后统称为辅助转换参数)。利用该辅助转换参数将该组合以外的其他(n-3)个控制点的WGS84坐标转换为本地坐标,并将求得的各本地坐标值与原有的本地坐标值相比较,计算其偏差值d=(x’-x)2+(y’-y)2+(z’-z)2。计算结束后,共得到Cn3组不同的转换参数和对应于每个组合的(n-3)个d。为了评价各组合所求得的辅助转换参数是否使原有控制网与WCS84坐标转换后的数据所构成的控制网达到最佳拟合,再引入如下2个参数:组合标准差和最大偏差值。
  组合标准差dq=
  当dq较小时,说明两控制网的整体拟合较好。
  最大偏差值maxdq,即为各组合中最大的那个偏差值。
  当maxdq,较小时,说明两控制网的各控制点偏差波动较小。
  2.2 最优组合选择
  当dq最小且maxdq最小时,说明该组合使两控制网无论从整体还是从局部都达到了较好的拟合。在这种情况下可以将该组合作为最优组合。
  当dq最小,maxdq非最小時,说明两控制网整体拟合较好,但是个别控制点的偏差较大。在这种情况下,可选取该组合作为最优组合 但应将该组合中偏差较大的控制点予以排除,在计算实际坐标转换参数时不使用该控制点。
  2.3 选择高精度控制点   在确定最优组合后,将该组合中各控制点的偏差d,与某一阀值(该阀值可根据具体测量的精度要求来确定)相比较。如果某控制点偏差小于该阀值,说明该控制点为高精度控制点,可以在实际计算坐标转换参数时使用该控制点的数据。(该组合中用来求取辅助转换参数的三个控制点当然也是高精度控制点。)
  2.4 分区求取最优坐标转换参数
  当测区范围较大时,整个测区的转换参数对各个局部并不完全适合,因此有必要將整个测区进行分区。分区的原则主要是根据整个测区的高精度控制点的分布情况而定。当用来求取坐标转换参数的各控制点恰好能将测区包围,这时所测得的观测值将达到较高精度。因此,在计算各分区的转换参数时,应使用该分区周围的高精度控制点,使其将分区包围,这时所求得的转换参数即为各分区的最优转换参数。
  求得各分区的最优转换参数后,在以后进行RTK作业时,就可以直接输入使用,在保证高精度的同时,大大简化了RTK 的作业程序,提高了工作效率。如果高精度控制点的数量不够或者分布不合理,导致无法合理分区和求取最优坐标转换参数,那么就必须对控制点进行加密,具体需要遵循的原则是:
  (1)控制点的数量应足够。一般来讲,平面控制应至少3个,高程控制应根据地形地貌条件,数量要求会更多(比如6个或以上)以确保拟合精度要求。对于地形平坦地区,在高程精度要求不是特别高的前提下,可以适当减少高程控制点的密度要求。
  (2)控制点的控制范围和分布应合理。控制范围应以能够覆盖整个测区为原则,一般情况下,相邻控制点之间的距离在3km~ 5km.所谓分布的合理性主要是指控制点分布的均匀性,当然控制点是越多越好。
  (3)已知点少时,点位决定精度。如果只有两个点的情况下,两已知点距离不应太近,一般情况下作用范围不应超过两点距离的1.5 倍:另外两已知点也不应在象限方向上,即不应在东西或南北方向,应存在一定的偏角[2]。
  (4)控制点精度应统一,用于求参数的控制点应该经过统一平差。
  3 分析与讨论
  需要补充说明的是,常用的坐标转换参数主要有2种:4参数法和7参数法。其中,4参数是同一椭球不同坐标系之间的转换参数,7参数是2个不同椭球之间的转换参数。虽然不很严密,不过还是可以认为7参数相对于4参数来说更准确、精度更高。但是7参数的求解方法一般是靠做控制测量即静态测量,相对的4参数求取很简单,只要有2个或2个以上的已知点就可以获得4参数,所以实际作业中使用最多的还是4参数法。
  另外从原理上讲,参考站每次开机都需要重新校正取得校正参数,除非参考站总是架设在同1个已知点,并且每次开机发射的WGS84坐标都已经通过设置来固定。这样做的局限性很大,因此很少采用。所以每次开机校正一次是最常用的方法,这种方法参考站可以在已知点上,也可以在未知点上,但每次都需要1个已知点。这个已知点必须使用经过如上步骤挑选出的高精度已知点,以避免由于已知点异常而造成的大的精度损失甚或错误。
  参考文献
  [1] 左美蓉.GPS测量技术[M].武汉:武汉理工大学出版社,19.
  [2] 刘发明.GPS-RTK技术在工程测量中的应用浅析[J].中国地名, 2013,(11):58-59.
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