RTK靜態控制測量原理方法

RTK技術的關鍵在於使用了GPS的載波相位觀測量，並利用了參考站和移動站之間觀測誤差的空間相關性，通過差分的方式除去移動站觀測資料中的大部分誤差，從而實現高精度(分米甚至釐米級)的定位。那麼，下面是小編為大家整理的RTK靜態控制測量原理方法，歡迎大家閱讀瀏覽。

　　一、RTK靜態控制測量的原理

RTK是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量，它能夠實時地提供測站點在指定座標系中的釐米級精度的三維定位結果。RTK測量系統通常由三部分組成，即GPS訊號接收部分(GPS接收機及天線)、實時資料傳輸部分(資料鏈，俗稱電臺)和實時資料處理部分(GPS控制器及其隨機實時資料處理軟體)。

RTK測量是根據GPS的相對定位理論，將一臺接收機設定在已知點上(基準站)，另一臺或幾臺接收機放在待測點上(移動站)，同步採集相同衛星的訊號。基準站在接收GPS訊號並進行載波相位測量的同時，通過資料鏈將其觀測值、衛星跟蹤狀態和測站座標資訊一起傳送給移動站;移動站通過資料鏈接收來自基準站的資料，然後利用GPS控制器內建的隨機實時資料處理軟體與本機採集的GPS觀測資料組成差分觀測值進行實時處理，實時給出待測點的座標、高程及實測精度，並將實測精度與預設精度指標進行比較，一旦實測精度符合要求，手簿將提示測量人員記錄該點的三維座標及其精度。作業時，移動站可處於靜止狀態，也可處於運動狀態;可在已知點上先進行初始化後再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，並在動態環境下完成整週模糊值的搜尋求解。在整週模糊值固定後，即可進行每個曆元的實時處理，只要能保持4顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則移動站可隨時給出待測點的釐米級的三維座標。

　　二、RTK靜態控制測量的使用方法

1控制點的佈設

為了達到GPS測量高精度、高效益的目的，減少不必要的耗費，在測量中遵循這樣的原則：在保證質量的前提下,儘可能地提高效率、降低成本。所以對GPS測量各階段的工作，都要精心設計，精心組織和實施。建議使用者在測量實施前，對整個GPS測量工作進行合理的總體設計。

總體設計，是指對GPS網進行優化設計，主要是：確定精度指標，網的圖形設計，網中基線邊長度的確定及 網的基準設計。在設計中使用者可以參照有關規範靈活地處理，下面將結合國內現有的一些資料對GPS測量的總體設計簡單地介紹一下。

1、確定精度標準

在GPS網總體設計中，精度指標是比較重要的引數，它的數值將直接影響GPS網的佈設方案、觀測資料的處理以及作業的時間和經費。在實際設計工作中，使用者可根據所作控制的實際需要和可能，合理地制定。既不能制定過低而影響網的精度，也不必要盲目追求過高的精度造成不必要的支出。

2、選點

選點即觀測站位置的選擇。在GPS測量中並不要求觀測站之間相互通視，網的圖形選擇也比較靈活，因此選點比經典控制測量簡便得多。但為了保證觀測工作的順利進行和可靠地保持測量結果，使用者注意使觀測站位置具有以下的條件：

① 確保GPS接收機上方的天空開闊 GPS測量主要利用接收機所接收到的衛星訊號，而且接收機上空越開闊，則觀測到的衛星數目越多。一般應該保證接收機所在平面15°以上的範圍內沒有建築物或者大樹的遮擋。

② 周圍沒有反射面，如大面積的水域，或對電磁波反射(或吸收)強烈的物體(如玻璃牆，樹木等)，不致引起多路徑效應。

③ 遠離強電磁場的干擾。

GPS接收機接收衛星廣播的微波訊號，微波訊號都會受到電磁場的影響而產生噪聲，降低信噪比，影響觀測成果。所以GPS控制點最好離開高壓線、微波站或者產生強電磁干擾的場所。鄰近不應有強電磁輻射源，如無線電臺、電視發射天線、高壓輸電線等，以免干擾GPS衛星訊號。通常，在測站周圍約 200m 的範圍內不能有大功率無線電發射源(如電視臺、電臺、微波站等);在 50m 內不能有高壓輸電線和微波無線電訊號傳遞通道。 ④ 觀測站最好選在交通便利的地方以利於其它測量手段聯測和擴充套件;

⑤ 地面基礎穩固，易於點的儲存。

注意：使用者如果在樹木、覘標等對電磁波傳播影響較大的物體下設觀測站，當接收機工作時，接收的衛星訊號將產生畸變，這樣即使採集時各項指標，如觀測衛星數、DOP值等都較好，但觀測資料質量很差。

建議使用者可根據需要在GPS點大約 300 米附近建立與其通視的方位點，以便在必要時採用常規經典的測量方法進行聯測。

在點位選好後，在對點位進行編號時必須注意點位編號的合理性，在野外採集時輸入的觀測站名由四個任意輸入的字元組成，為了在測後處理時方便及準確，必須不使點號重複。建議使用者在編號時儘量採用阿拉伯數字按順序編號。

3、基線長度

GPS接收機對收到的衛星訊號量測可達毫米級的精度。但是，由於衛星訊號在大氣傳播時不可避免地受到大氣層中電離層及對流層的擾動，導致觀測精度的降低。因此在使用GPS接收機測量時，通常採用差分的形式，用兩臺接收機來對一條基線進行同步觀測。在同步觀測同一組衛星時，大氣層對觀測的影響大部分都被抵消了。基線越短，抵消的程度越顯著，因為這時衛星訊號通過大氣層到達兩臺接收機的路徑幾乎相同。

同時，當基線越長時，起算點的精度對基線的精度的影響也越大。起算點的精度常常影響基線的正常求解。

因此，建議使用者在設計基線邊時，應兼顧基線邊的長度。通常，對於單頻接收機而言，基線邊應以20公里範圍以內為宜。基線邊過長，一方面觀測時間勢必增加，另一方面由於距離增大而導致電離層的影響有所增強。

4、提高GPS網可靠性的方法

　　可以通過下面的一些方法提高GPS網的可靠性：

1、增加獨立基線數

在佈設GPS 網時，適當增加觀測時段數，對於提高GPS 網的可靠性非常有效。因為隨著觀測時段數的增加，所測得的.獨立基線數就會增加，而獨立基線數的增加對網的可靠性的提高是非常有效的。

2、保證一定的重複設站次數

保證一定的重複設站次數，可確保GPS 網的可靠性。一方面，通過在同一測站上的多次觀測，可有效地發現設站、對中、整平、量測天線高等人為錯誤;另一方面，重複設站次數的增加，也意味著觀測期數的增加。不過需要注意的是，當同一臺接收機在同一測站上連續進行多個時段的觀測時，各個時段間必須重新安置儀器，以更好地消除各種人為操作誤差和錯誤。

3、保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連。

保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連，這樣可以使得測站具有較高的可靠性，在佈設GPS 網時，各個點的可靠性與點位無直接關係，而與該點上所連線的基線數有關，點上所連線的基線數越多點的可靠性則越高。

4、在佈網時要使網中所有最小非同步環的邊數不大於6 條

在佈設GPS 網時，檢查GPS 觀測值基線向量質量的最佳方法是非同步環閉合差。而隨著組成非同步環的基線向量數的增加，其檢驗質量的能力將逐漸下降，因此，要控制最小非同步環的邊數。

所謂最小非同步閉合環，即構成閉合環的基線邊是非同步的，且邊數又是最少的。

5、提高GPS網精度的方法

可以通過下列方法提高GPS網的精度：

為保證GPS 網中各相鄰點具有較高的相對精度，對網中距離較近的點一定要進行同步觀測，以獲得它們間的直接觀測基線;

為提高整個GPS 網的精度，可以在全面網之上佈設框架網，以框架網作為整個GPS 網的骨架;

在佈網時要使網中所有最小非同步環的邊數不大於6 條;

若要採用高程擬合的方法測定網中各點的正常高/正高，則需在佈網時選定一定數量的水準點。水準點的數量應儘可能的多，且應在網中均勻分佈，還要保證有部分點分佈在網中的四周，將整個網包含在其中;

為提高GPS 網的尺度精度，可採用增設長時間、多時段的基線向量。

6、佈設GPS 網時起算點的選取與分佈

若要求所佈設的GPS 網的成果與舊成果吻合最好，則起算點數量越多越好。若不要求所佈設的GPS 網的成果完全與舊成果吻合，則一般可選3～5 個起算點，這樣既可以保證新老座標成果的一致性，也可以保持GPS 網的原有精度。

為保證整網的點位精度均勻，起算點一般應均勻地分佈在GPS 網的周圍。要避免所有的起算點分佈在網中一側的情況或連成一線的情況。

　　2、 GPS基線解算

1 、基線解算的步驟

基線解算的過程，實際上主要是一個利用最小二乘法進行平差的過程。平差所採用的觀測值主要是雙差觀測值。在基線解算時，平差要分五個階段進行。第一階段，根據三差觀測值，求得基線向量的初值。第二階段，根據初值及雙差觀測值進行周跳修復。第三階段進行雙差浮點解算，解算出整週未知數引數和基線向量的實數解。第四階段將整週未知數固定成整數，即整週模糊度固定。在第五階段，將確定了的整週未知數作為已知值，僅將待定的測站座標作為未知引數，再次進行平差解算，解求出基線向量的最終解-整數解。

2 、重複基線的檢查

同一基線邊觀測了多個時段得到的多個基線邊稱為重複基線邊。對於不同觀測時段的基線邊的互差，其差值應小於相應級別規定精度的22倍。而其中任一時段的結果與各時段平均值之差不能超過相應級別的規定精度。

我們在進行基線處理時經常會遇到重複基線檢查不合格的情況。而造成這種情況的主要有以下幾種情況：1、在架設儀器時由於對中整平的誤差造成(該種情況一般對短基線影響很大)，處理該種情況時需要在出外業前對基座進行檢查並且進行外業觀測架設儀器時嚴格對中整平。2、由於點號及儀器高輸錯、或外業記錄時出錯造成(這種情況最為普遍，並且由於該種情況還會造成非同步環搜尋時非同步環不閉合)，一般來說在軟體上比較好檢查出出錯的觀測點，例如我們可以在軟體上檢視觀測資料通過觀測資料的初始經緯度來判定點號是否出錯。在搜尋非同步環時往往超限資料非常大。對於這種情況的處理一定要嚴格外業觀測手簿的記錄。

3、 閉合環搜尋

在GPS測量中，為了檢驗GPS野外實測資料的質量，往往需要計算GPS網中同步環或非同步環閉合差。

為了使精度評估更準確，往往需要刪除一些重複基線，通常的軟體都要求手工輸入，若網較複雜，則工作量就非常龐大，而且錯誤、遺漏也就難以避免。實際上，在軟體中，可以結合圖論的有關知識，採用深度優先搜尋的方法搜尋整個GPS網中的最小獨立閉合環、最小獨立非同步閉合環、最小獨立同步閉合環以及手工選定環路和重複基線。

所謂最小獨立閉合環，具有以下幾方面的含義：

 閉合環必須是最小的，即邊數是最少的;

 閉合環必須是獨立的。

4、 GPS基線向量網平差

在一般情況下，多個同步觀測站之間的觀測資料，經基線向量解算後，使用者所獲得的結果一般是觀測站之間的基線向量及其方差與協方差。再者，在某一區域的測量工作中，使用者可能投入的接收機數總是有限的，所以，當佈設的GPS網點數較多時，則需在不同的時段，按照預先的作業計劃，多次進行觀測。而GPS解算不可避免地會帶來誤差、粗差以及不合格解。在這種情況下，為了提高定位結果的可靠性，通常需將不同時段觀測的基線向量連線成網，並通過觀測量的整體平差，以提高定位結果的精度。這樣構成的GPS網，將含有許多閉合條件，整體平差的目的，在於清除這些閉合條件的不符值，並建立網的基準。

另外，不管是靜態解算還是動態解算，都是在WGS-84座標系下進行的，而已有的經典地面控制網規模大，資料豐富;或者，使用者只進行小範圍的測量，需要的僅僅是區域性平面座標;加之，GPS單點定位的座標精度較低，遠遠不能滿足高精度測量的要求。而且，通常使用者需要的是國家座標系下的大地座標(或投影座標)或地方座標系下的投影座標，高程座標也不再是大地高(橢球高)，而是水準高(正高)。有時還需要通過高精度GPS網與經典地面網的聯合處理，加強和改善經典地面網，以滿足使用者的需要。這樣就需要將WGS-84之間的座標增量轉換到大地座標中去，從而得到使用者所需要的座標。由於座標系之間的系統引數不一樣以及水準異常等原因，這種轉換理所當然地會帶來誤差。

根據平差所進行的座標空間，可將GPS 網平差分為三維平差和二維平差。根據平差時所採用的觀測值和起算資料的數量和型別，可將平差分為無約束平差約束平差和聯合平差等。

所謂三維平差是指平差在空間三維座標系中進行。觀測值為三維空間中的觀測值，解算出的結果為點的三維空間座標。GPS 網的三維平差，一般在三維空間直角座標系或三維空間大地座標系下進行。所謂二維平差，是指平差在二維平面座標系下進行，觀測值為二維觀測值，解算出的結果為點的二維平面座標。

所謂無約束平差，指的是在平差時不引入會造成GPS 網產生由非觀測量所引起的變形的外部起算資料。常見的GPS 網的無約束平差，一般是在平差時沒有起算資料或沒有多餘的起算資料。所謂約束平差，指的是平差時所採用的觀測值完全是GPS 基線向量，而且，在平差時引入了使得GPS 網產生由非觀測量所引起的變形的外部起算資料。

GPS 網的聯合平差，指的是平差時所採用的觀測值除了GPS 觀測值以外，還採用了地面常規觀測值，這些地面常規觀測值包括邊長、方向、角度等觀測值等。

　　3 、常遇問題的解決辦法

1.如何處理不合格基線

通過設定衛星高度角、取樣間隔、有效曆元等引數可以對基線進行優化。

1 衛星高度截止角

衛星高度角的擷取對於資料觀測和基線處理都非常重要，觀測較低仰角的衛星有時會因為衛星訊號強度太弱、信噪比較低而導致訊號失鎖，或者訊號在傳輸路徑上受到較大的大氣折射影響而導致整週模糊度搜索的失敗。但選擇較大的衛星高度角可能出現觀測衛星數的不足或衛星圖形強度欠佳，因此同樣不能解算出最佳基線。

一般情況下處理基線中高度截止角預設設定為20度。如果同步觀測衛星數太少或者同步觀測時間不足，對於短基線來說，可以適當降低高度角後重新試算，這樣可能會獲得滿足要求的基線結果，此時應注意，要求測站的資料要穩定，且環視條件要好，解算後的基線應進行外部檢核(如同步環和非同步環檢核)以保證其正確性。

如果用預設設定值解算基線失敗，且連續觀測時間較長、觀測的衛星數較多、圖形強度因子GDOP值較小，則適當提高衛星的高度角重新進行解算可能會得到較好的結果，這主要是觀測環境和低仰角的衛星訊號產生了較嚴重的多路徑效應和時間延遲所引起的。

2 取樣間隔

一般的接收機具有較高的內部取樣率(指野外作業設定的資料採集間隔，由1秒至255秒自由設定，預設為15秒)。而處理基線中並不是所有的資料都參與處理，而是從中根據優化原則選取其中一部分的資料取樣進行處理。採集高質量的載波相位觀測值是解決周跳問題的根本途徑，而適當增加其採集密度，又是診斷和修復周跳的重要措施，因此在採用快速靜態作業或者該基線觀測時間較短的情況下，可以適當把取樣間隔縮短。

3無效曆元

在某些情況下，例如該衛星的健康情況惡劣;或者測站環境不理想、受電磁干擾而導致某些衛星資料訊號經常失鎖;又或者低仰角的衛星有時會因為衛星訊號強度太弱、信噪比較低而導致訊號失鎖，或者訊號在傳輸路徑上受到較大的大氣折射影響而導致整週模糊度搜索的失敗。此時應該對該衛星的星曆進行處理。

通過檢視基線詳解，可以對衛星觀測中周跳的情況進行檢查，對於失鎖次數較多的衛星或者觀測曆元數過少的衛星進行剔除。

2如何確定座標系統

1標準座標系統

採用標準的WGS-84、北京54以及國家80座標系可以直接在網平差設定裡選擇，但是必須按要求輸入正確的原點經度(投影中央子午線)。

2自定義座標系統(或者工程橢球)

① 已知引數

一般的自定義座標系(或工程橢球)是從標準的國家座標系轉換而來，大多數情形下是對加常數或者中央子午線、投影橢球高重新進行定義，因此必須選擇相應的引數，包括所用橢球的引數、加常數、投影中央子午線、投影橢球高等。

② 未知引數

假如是完全獨立自定義的工程座標系，尤其是沒有辦法與國家點聯測、又或者投影變形超過規範要求的，可以選用標準橢球，例如北京54橢球引數，然後採用固定一點和一個方位角的辦法來處理。具體方法如下：

採用基線某一端點的單點定位解作為起點，然後用高精度的紅外鐳射測距儀測出到基線另一端點的邊長，經過嚴格的改正後，投影到指定高度(一般是測區的平均高程面)，然後假定一個方位角(一般是採用真北方向)算出基線終點的座標，以此兩點作為約束點，然後採用與前面一致的橢球引數，投影橢球高，此時注意原點經度(中央子午線)可以採用測區中央的子午線。這樣，一方面使到其變形滿足規範要求，另一方面在小比例尺的圖上可以與國家標準座標系聯絡起來。

工程施工單位經常使用的自定義座標系統。如果設計單位在測設時候佈設了控制點且提供控制座標成果的情況下。施工單位在使用GPS加密控制點的時候進行網平差就比較簡單。我們只需要聯測設計院提供的成果進行平差就好。

但是如果設計單位沒有提供控制點成果的情況下我們使用GPS進行控制點的觀測時，就一定要確定好座標系統。通常我們選擇自定義座標系統中的第二項即未知引數的情況進行網平差。例如某大橋的控制測量我們佈設好控制點後進行觀測。資料處理完後進行網平差時。我們就可在某端選取一個點將該點的大地座標(經緯度)正算成平面直角座標，然後用高精度的紅外鐳射測距儀測出到基線另一端點的邊長，經過嚴格的改正後，投影到指定高度(一般是測區的平均高程面)，然後假定一個方位角(一般是採用真北方向)算出基線終點的座標，以此兩點作為約束點，然後採用與前面一致的橢球引數，投影橢球高，此時注意原點經度(中央子午線)可以採用測區中央的子午線。亦可將該點的平面直角座標作為約束點，然後在平差選擇中選擇角度約束指定另外一端點的座標方位角和距離進行約束平差