摘要：GPS全球定位系統(tǒng)在工程測(cè)量方面的應(yīng)用已越來(lái)越普及,在上海市青草沙水庫(kù)工程中,利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(GPSRTK)測(cè)量系統(tǒng),成功地解決了水深測(cè)量時(shí)的平面定位和高程測(cè)量。通過工程應(yīng)用，本文對(duì)GPSRTK測(cè)量精度的影響因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的控制對(duì)策。
　　關(guān)鍵詞：GPSRTK；水下地形測(cè)量；精度影響因素
　　
　　
　　一．工程概述
　　上海市青草沙水庫(kù)工程位于長(zhǎng)江口北港上口長(zhǎng)興島的北側(cè)、中央沙下游與長(zhǎng)興島北沿相隔上口封閉的北小泓漲潮溝。總面積約70平方公里，年均徑流總量為4896億立方米。水庫(kù)的建成，可形成有效庫(kù)容5.53億立方米，日原水供應(yīng)規(guī)模達(dá)950萬(wàn)立方米，受益人口超過1000萬(wàn)人。工程預(yù)計(jì)2010年實(shí)現(xiàn)向市區(qū)供水，2012年全部完工。
　　水庫(kù)原水工程系統(tǒng)主要由水庫(kù)及取輸水泵站工程、過江管道工程和陸域輸水系統(tǒng)以及輸水泵站等工程組成。水庫(kù)環(huán)庫(kù)大堤包括新建堤線和原海塘加高加固堤線，其中新建堤線可劃分為南堤、西堤、北堤和東堤，總長(zhǎng)度約33.1km，原海塘加高加固堤線總長(zhǎng)度約16.3km。
　　為滿足工程可行性研究階段的需要，對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行1：5000水下地形圖測(cè)量。經(jīng)論證，確定采用GPSRTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，該技術(shù)可以減少實(shí)際作業(yè)人數(shù)，提高工作成效。
　　二．GPSRTK原理
　　GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知點(diǎn)的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法來(lái)確定待測(cè)點(diǎn)的位置。常規(guī)的GPS測(cè)量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得高精度的測(cè)量結(jié)果，而RTK(Real-timekinematic)技術(shù)即動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)載波相位差分技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)點(diǎn)載波相位觀測(cè)量的差分方法，是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)的定位精度的測(cè)量方法，它的出現(xiàn)是GPS定位技術(shù)上的又一項(xiàng)重大突破，它使GPS技術(shù)向更深、更新、更廣泛的方向發(fā)展。這一高新技術(shù)已在工程測(cè)量、地藉測(cè)量、和大面積測(cè)圖等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，極大推進(jìn)了測(cè)量行業(yè)技術(shù)的革新。
　　在RTK作業(yè)模式下，它分為基準(zhǔn)站和流動(dòng)站，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)地將測(cè)量的載波相位觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)及差分改正數(shù)等用無(wú)線電傳送給運(yùn)動(dòng)中的流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站坐標(biāo)差△X、△Y、△H。坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)得到每個(gè)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y和海拔高H。得到厘米級(jí)定位結(jié)果，歷時(shí)幾秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理，只要能保持4顆以上衛(wèi)星相位觀測(cè)值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。
　　三．GPSRTK儀器介紹
　　本次作業(yè)所使用的儀器為集GPS接收機(jī)、天線為一體的美國(guó)Trimble5800測(cè)量系統(tǒng)。它包括先進(jìn)的24通道雙頻GPS和WAAS/EGNOS接收機(jī)，并內(nèi)有增強(qiáng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的eRTK技術(shù)完全集成的內(nèi)置無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器。實(shí)時(shí)定位精度為：平面10mm＋1ppm，高程20mm＋2ppm。初始化時(shí)間小于30秒。單個(gè)基準(zhǔn)站作業(yè)半徑可達(dá)20～30公里。
　　
　　四．作業(yè)準(zhǔn)備
　　(一)測(cè)區(qū)D級(jí)GPS控制網(wǎng)的建立
　　庫(kù)區(qū)海塘上布設(shè)加密GPS平面控制網(wǎng)，控制網(wǎng)控制范圍盡量覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，按D級(jí)GPS要求進(jìn)行施測(cè)，結(jié)合已有此區(qū)域控制網(wǎng)資料，根據(jù)GPS網(wǎng)形要求和工程要求，共選取了17點(diǎn)與已知平面點(diǎn)G3355、G3354、G3357組網(wǎng)。采用靜態(tài)雙頻GPS進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和基線解算，D級(jí)GPS網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差、最弱邊相對(duì)中誤差、邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差等各項(xiàng)精度指標(biāo)均遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定，點(diǎn)位平面誤差詳見表1。所有GPS點(diǎn)的高程均按照水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范進(jìn)行四等水準(zhǔn)測(cè)量以確定。
　　表1GPS網(wǎng)平差后點(diǎn)位平面精度表
　
　　(二)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
　　平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是將GPS測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為測(cè)區(qū)地方坐標(biāo)，一般采用二維相似轉(zhuǎn)換算法，GPS測(cè)得的緯度和經(jīng)度轉(zhuǎn)換到地方地圖投影平面，然后再用轉(zhuǎn)換參數(shù)（尺度比、旋轉(zhuǎn)角和平移量）將其轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)。GPS測(cè)量技術(shù)得到的是WGS84坐標(biāo)系的坐標(biāo)。為使?jié)M足本工程的使用的需要，就要建立WGS84坐標(biāo)到地方坐標(biāo)系、WGS84大地高到地方高程的轉(zhuǎn)換參數(shù)。用控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)法求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)適用于當(dāng)測(cè)區(qū)已有地方假定坐標(biāo)系。在此次作業(yè)過程中我們聯(lián)測(cè)了測(cè)區(qū)的GPS控制點(diǎn)GQ1、GQ6、GQ19、GQ22、GQ26、GQ30,獲得精度較高的轉(zhuǎn)換參數(shù)。
　　(三)基準(zhǔn)站位置的確定
　　GPSRTK基準(zhǔn)站架設(shè)點(diǎn)的選取不僅要考慮點(diǎn)周圍遮擋物，以及大功率無(wú)線電發(fā)射臺(tái)、變電站、高壓輸電線等無(wú)線電干擾源對(duì)GPS信號(hào)的影響，還要考慮基線長(zhǎng)度對(duì)測(cè)量精度的影響。通過比較分析，選取地勢(shì)較高、無(wú)遮擋的GQ6、GQ19、GQ22點(diǎn)作為水下地形測(cè)量時(shí)的基準(zhǔn)站，詳見圖1。
　　
　　圖1GPSRTK基準(zhǔn)站點(diǎn)位示意圖
　　
　　五．水下地形測(cè)量實(shí)施
　　工程作業(yè)時(shí)采用兩臺(tái)TrimbleRTKGPS流動(dòng)站及一臺(tái)TrimbleRTKGPS基站進(jìn)行水上平面定位和水面高程測(cè)定。水深測(cè)量采用兩臺(tái)中海達(dá)HD-27測(cè)深儀進(jìn)行，導(dǎo)航軟件采用“Haida海洋測(cè)量軟件28”，軟件自動(dòng)同步定位、導(dǎo)航和采集水深。為了消除計(jì)算機(jī)和GPS時(shí)鐘誤差，導(dǎo)航軟件的定位、導(dǎo)航和采集水深的時(shí)間統(tǒng)一為GPS的時(shí)鐘時(shí)間。
　　(一)GPSRTK測(cè)量的實(shí)施要點(diǎn)
　　測(cè)量船停泊在平靜的水域,測(cè)深儀換能器安裝在距船首1/3～1/2船長(zhǎng)處，以消弱船動(dòng)吃水誤差。在換能器探頭中心的同一豎軸線上架設(shè)GPS接收機(jī)天線，并連接GPS接收機(jī)與測(cè)深儀,打開水深測(cè)量軟件,設(shè)置好相應(yīng)的連接參數(shù)及記錄格式、數(shù)據(jù)格式等環(huán)境參數(shù)。要利用GPSRTK的實(shí)時(shí)高程替代水位,需要把流動(dòng)站的接收機(jī)天線高度設(shè)置正確，應(yīng)在測(cè)深軟件中修改為接收天線中心到靜止水面的高度。根據(jù)以上設(shè)置，RTK接收機(jī)天線到換能器中心的距離應(yīng)等于RTK接收機(jī)天線高的數(shù)據(jù)加上換能器吃水?dāng)?shù)據(jù)。此時(shí)，就可以利用RTK的實(shí)時(shí)高程,替代水位觀測(cè),且其精度達(dá)厘米級(jí)。
　　測(cè)量前用聲速儀對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行校正。流動(dòng)站天線到水面高每天作業(yè)前均用小鋼尺精確量取，并設(shè)定到導(dǎo)航軟件(在測(cè)深儀計(jì)算機(jī)中)和RTK手簿中，同時(shí)岸上用全站儀測(cè)定水面高程，與導(dǎo)航軟件測(cè)定的水面高和RTK測(cè)定的水面高進(jìn)行比對(duì)，再用測(cè)尺測(cè)定水深，與測(cè)深儀測(cè)定的水深進(jìn)行比對(duì)，所有比對(duì)結(jié)果一致后才開始作業(yè)。
　　水下數(shù)據(jù)采集為每秒一組，然后內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。為了保證水面高程測(cè)定的精度和可靠性，每天水下測(cè)量的同時(shí)在岸邊進(jìn)行全站儀直接驗(yàn)潮，在水下作業(yè)開始前10分鐘進(jìn)行測(cè)定，時(shí)間間隔10分鐘，一直持續(xù)到水下作業(yè)結(jié)束后10分鐘。水下地形測(cè)量按斷面法進(jìn)行布線，斷面間距100m，斷面與堤線連線垂直。計(jì)劃測(cè)線覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。水下地形測(cè)量除按計(jì)劃測(cè)線進(jìn)行測(cè)量外，還在測(cè)區(qū)測(cè)量了約75km的重合或相交測(cè)線進(jìn)行水下高程比對(duì)，經(jīng)檢核重合區(qū)域的高程較差不大于±10cm。水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用“Haida海洋測(cè)量軟件28”轉(zhuǎn)換成“南方CASS成圖系統(tǒng)”軟件的數(shù)據(jù)格式，與陸地地形合并，進(jìn)行數(shù)字化成圖。
　　(二)實(shí)時(shí)高程替代水位觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)
　　1.不用考慮測(cè)量船的動(dòng)吃水,因?yàn)榇�體上升與下沉?xí)r,在RTK測(cè)量的實(shí)時(shí)高程中得到了反映,省去了動(dòng)吃水改正這一項(xiàng)。在漲潮與退潮時(shí)間段,潮位變化大,此時(shí)RTK實(shí)時(shí)高程測(cè)量解決了水位不斷變化問題,實(shí)時(shí)測(cè)出測(cè)點(diǎn)處水面高程。
　　2.測(cè)量時(shí)測(cè)船會(huì)因波浪等原因有上升或下沉的情況,此類垂直方向的變化,都能夠由RTK實(shí)時(shí)高程做出真實(shí)的記錄。RTK實(shí)時(shí)高程測(cè)量,減弱了水深測(cè)量過程中因許多瞬間不確定因素對(duì)最終水深觀測(cè)量值的影響,使最終水底高程測(cè)量值更接近于真值。
　　六．影響RTK精度的因素分析及對(duì)策
　　通過實(shí)際作業(yè)，本文發(fā)現(xiàn)GPSRTK精度的影響因素主要有：
　　（一）基準(zhǔn)站坐標(biāo)精度。由RTK的工作原理可知，如果基準(zhǔn)站的坐標(biāo)精度較低，流動(dòng)站得到的三維坐標(biāo)都帶有系統(tǒng)偏差，因此基準(zhǔn)站坐標(biāo)具有較高精度非常重要；
　　（二）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)精度；
　　（三）作業(yè)環(huán)境。基準(zhǔn)站的選擇要合適。要盡量遠(yuǎn)離大功率的無(wú)線電發(fā)射臺(tái)，如高壓線、變電站、飛機(jī)場(chǎng)等；
　　（四）人員因素。測(cè)量員作業(yè)不熟悉，在作業(yè)時(shí)，如果屏幕顯示不是RTK固定就記錄數(shù)據(jù)，會(huì)使測(cè)量點(diǎn)的精度很低，甚至出現(xiàn)粗錯(cuò)；如果接受機(jī)天線未保持垂直，測(cè)設(shè)的成果就不可取，人為地減低了測(cè)設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)精度；如果電瓶電量不足，也會(huì)降低流動(dòng)站測(cè)設(shè)坐標(biāo)精度和可靠性。
　　為提高GPSRTK測(cè)設(shè)精度，在作業(yè)工程中需要采取一下必要的措施：
　　（一）基準(zhǔn)站盡量選取在較高的位置，要適當(dāng)提高基準(zhǔn)站發(fā)射天線的高度。盡量采用已建成的國(guó)家高等級(jí)GPS點(diǎn)或在一個(gè)控制網(wǎng)內(nèi)經(jīng)過統(tǒng)一平差的GPS點(diǎn)，使用適當(dāng)多的已知控制點(diǎn)。
　　（二）根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，選擇幾何圖形強(qiáng)度因子較小、衛(wèi)星數(shù)量較多的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)設(shè)。適當(dāng)延長(zhǎng)在每個(gè)測(cè)設(shè)點(diǎn)的時(shí)間，并且流動(dòng)站天線盡可能保持垂直，以確保測(cè)設(shè)出的數(shù)據(jù)是固定解。
　　（三）將流動(dòng)站的作業(yè)半徑控制在10km以內(nèi)，若想提高作業(yè)距離，可用定向天線，定向天線可以使信號(hào)集中在某一個(gè)方向上，因此當(dāng)將天線指向正確的方向時(shí)，能明顯提高作業(yè)距離，或者也可以選擇電臺(tái)中繼站，即在合適的距離增設(shè)一臺(tái)中繼站電臺(tái)，中繼站電臺(tái)一邊接收來(lái)自基準(zhǔn)站發(fā)射來(lái)的數(shù)據(jù)，一邊發(fā)射這些數(shù)據(jù)，這樣也能明顯提高作業(yè)距離。
　　（四）求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，嚴(yán)格檢查各控制點(diǎn)的坐標(biāo)，并仔細(xì)檢查RTK點(diǎn)校準(zhǔn)的H殘差和V殘差值，看其數(shù)據(jù)是否在規(guī)定允許的范圍內(nèi)。
　　（五）供電電瓶一定要有足夠的電量。
　　7結(jié)語(yǔ)
　　本文通過GPSRTK技術(shù)在水下地形測(cè)量中的實(shí)際工程應(yīng)用，深切的體會(huì)到：
　　（一）GPSRTK作業(yè)有著極高的精度，觀測(cè)速度快，在水上測(cè)量中不需要預(yù)報(bào)潮位，平面定位方便，非常適合于大規(guī)模的水下地形測(cè)量及其它地形測(cè)量等。
　　（二）GPSRTK測(cè)量可以大大提高成果質(zhì)量，自動(dòng)化程度高，它不受人為因素的影響，整個(gè)作業(yè)過程由電腦控制，自動(dòng)記錄、自動(dòng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)計(jì)算，大地降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少工作量。
　　（三）在工程測(cè)量中，可以直接運(yùn)用GPSRTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、點(diǎn)位測(cè)量、導(dǎo)線控制測(cè)量等，提高作業(yè)效率，越來(lái)越受到人們的青睞。
　　（四）運(yùn)用GPSRTK技術(shù)測(cè)量得到的三維數(shù)據(jù)形成了相應(yīng)的電子文件，這些數(shù)據(jù)便于保存和方便其他工程或建立工程管理數(shù)據(jù)庫(kù)使用。
　　
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