1、动态 GPS(RTK)测量的精度和可靠性分析摘要：本文阐述了动态 GPS(RTK)测量技术在实际生产中的各种误差来源，对测量精度的影响因素及可靠性分析，可供 RTK 测量作业时参考。关键词：RTK 测量精度可靠性分析 中图分类号：O4-34 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 动态 GPS(RTK)定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。GPS 定位在测量中有很大的应用潜力，尤其是近几年动态GPS（RTK）的广泛应用，使测量工作的观测时间缩短，人员投入减少，降低了成本，并且不受网形和通视等条件的影响，提高了外业工作
2、效率。但是，动态 GPS(RTK)测量没有静态 GPS 测量的同步环、异步环及附合路线等约束条件，它是以基准站为中心呈放射状，以支点形式分布的散点，从而无法直接衡量其观测精度。因此，动态 GPS(RTK)测量在实际生产中的精度和可靠性成为测量工作者关注的重点。 2 动态 GPS（RTK）测量精度的影响因素 2.1GPS 系统的影响。GPS 系统本身有其固有因素，用户无法控制，但必须考虑以下这些因素。 （1）星数。 在 OTF 解算未知的模糊值时，至少需要有 5 个共同星。星数越多，解算模糊值的速度越快、越可靠。 （2）卫星图形。当卫星均匀分布在整个天空时，成果将更好。可用星数越多，卫星图形就会
3、更好。目前，卫星分布的优劣常用 PDOP（点位精度衰减因子）值来衡量，PDOP 值小则好，PDOP 值大则差。在 RTK 中，PDOP 值不宜大于 6. （3）大气状况。卫星信号到达 GPS 接收机之前，要穿过对流层和电离层，两者均影响信号传播。在正常条件下，当点间距离较短时，对流层和电离层的影响能够模拟，其残差可通过观测值的差分处理，予以削弱或消除。 （4）基线长度。 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，所测结果的误差也越大。基线更长时，数据链信号变得更弱，从而需要更长的初始化时间，而且解算结果也不可靠。 2.2RTK 系统。 RTK 设备
4、的优劣不仅严重影响精度，而且也影响成果的可靠性。现将评价 RTK 系统的主要因子简述如下。 （1）数据链。目前大多数 RTK 都采用自备无线电数据链，但有少数厂家开始采用 GSM 电话，两者都将影响观测值。各有其优缺点。无线电数据链的优点是：移动站的数量没有限制，购买到收、发电台后，就没有其它费用。但无线电信号传播的距离受到地形、地物的制约。弱信号或受干扰的信号将使解算模糊值和保持模糊值不变增加很多困难。用 GSM电话建立数据链的优点是，数据链的质量同距离无关。环境及基地站至移动站之间的障碍物对 GSM 数据链没有影响。GSM 数据链的缺点是；用户要承受电话费；同一个基地站连接的用户数量受到限
5、制；完全受 GSM 覆盖范围的制约。将无线电和 GSM 相结合，也能进行 RTK。可能时，采用无线电数据链。当移动站位于无线电信号之外时，则用 GSM 建立基地站和移动站之间的联系。 （2）天线类型。GPS 天线存在两种误差：一是物理相位中心之间的偏差，二是相位中心变化（PCV） 。当基地站和移动站都使用同一类型的天线时，此偏差和 PCV 可基本消除。否则 PCV 能在几毫米和几厘米之间变化，而且相位中心的偏差可到几分米，基地站和移动站之间使用不同类型的天线时，在不理想的环境下将导致观测结果精度降低，甚至无法解算模糊值。 （3）软件。 各种 RTK 系统都使用自己的软件处理数据。不同软件采用不
6、同算法。在解算模糊值的可靠性方面，各种算法都有其优缺点。 此外，各种软件处理的时延也大不相同,控制观测值质量的方法也不同。 2.3 环境。地形的起伏将影响无线电信号的传播。为了使无线电信号具有最大的覆盖范围，数据链发射台应设在制高点上；基地站和移动站之间的障碍物具有两种影响。一方面它使无线电信号中断，导致移动站的模糊值丢失。另一方面，这些障碍物能反射无线电信号，将使信号传播得更远，基线也能更长；地面建筑物和树木等遮挡，将影响到卫星的可见性。当测点靠近房屋或树林时，共同星数将急剧下降，卫星图形也将变坏；当卫星信号受天线附近的地形地物影响、经一次或多次反射后到达天线时，将产生多径误差。多径效应通过
7、仔细选择天线点位来避免，特别是基地站的点位；电波干扰能够引起信号中断，甚至卫星失锁。输电线、蜂窗电话、电站、电台、电视发射台、雷达站等都会产生这种电波干扰。 2.4 观测方案 (1)基地站的选择。如果基地站的坐标精度较差，则全部新点坐标的精度决不会超过基地站。当然，如果只考虑相对坐标，则基准点的质量就无关紧要，当基线增长时，将出现尺度比误差。 （2）一个基地站或基地站网。目前，有些地区已发展为多基地站构成的常设基地站网。采用基地站网有三大优点，一是减少模糊值初始化时间，二是提高移动站的精度，三是移动站坐标的精度同基线长度的关系不大。因此，基线长度比只有一个基地站时大得多。 （3）坐标系的选择。
8、坐标系的选择对所测成果的精度影响很大。GPS 采用 WGS-84 坐标系，而且全部计算都在此坐标系内进行。因此处理后的首批结果是 WGS-84 坐标。为了同地方坐标的正高符合得更好，最好采用三维坐标的地方参数。 （4）历元数。存入的坐标既可以是观测一个历元的结果，也可以是几个历元的平均值。对于纯动态测量，例如探测位移或轨迹测量而言，只能选择一个历元。然而，对于地形测量而言，则可取几个历元的平均值，从而消除偶然噪声。 （5）重复测量。对整个测量进行全部检查的唯一方法是实施独立的重复测量，即采用不同的模糊值。实践证明：为了探测出错误观测值，重复测量是很有用的。 25 观测者的技术和经验。RTK 实
9、践证明，观测者的专业水平和经验对成果的精度和可靠性有重大影响。 3 RTK 的误差来源及解决措施 3.1 RTK 定位的误差一般分为两类：同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素；同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。 3.2 同测站有关的误差 （1）天线相位中心变化。天线的机械中心和电子相位中心一般不重合。而且电子相位中心是变化的，它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。天线检验的方法分为二类：一是实验室内的绝对检验法。有WuBBENA 等人提出的天线相位中心绝对检验法，可达到 1-3mm 的精度。二是野外检验法。目前研究出的野外精密检验法是 ROT
10、HACHER 法。基地站最好采用绝对检验法。但是，这两种天线检验法都比较复杂，外业人员都不愿意采用。 （2）多径误差。多径误差取决于天线周围的环境，误差一般为5cm，高反射环境下可达 19cm.多径误差的周期一般为 520 分钟，这对RTK 的移动站是个严重问题。此外，L1 和 L2 的相位中心的变幅可达6cm。多径误差可通过下列措施予以削弱：选择地形开阔、没有反射面的点位；采用具有削弱多径误差的各种技术（例如：NCT,MET,MEDL，Pinwee等）的天线；采用扼流圈天线；基地站附近铺设吸收电波的材料；采用处理数据的新技术（但结果尚未被大家公认） 。 （3）信号干扰。在基地站削弱无线电噪声
11、最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周调和信噪比。为了削弱电磁波的辐射干扰，最好避开：在测站周围 100-500m 范围内的 UHF,VHF,TV 和 BP 机发射台。无线电爱好者的定向发射台。用于航空导航的雷达装置。在选点时使用仪表测试的方法也可削弱这些影响。气象因素，在天气急剧变化时不宜进行 RTK 测量。 3.3 同距离有关的误差 同距离有关的误差的主要部分可通过多基地站技术来消除。但是，其残余部分也随着至基站距离的增大而加大。 （1）轨道误差。目前，轨道误差只有几米，其残余的相对误差影响约为 1ppm，就短基线（10km）而言，对结果的影响可忽略不计。但是，对 20-30km 的基线则
12、可达到几厘米。 （2）电离层误差。电离层误差具有三大特性：扩散性、互补性和瞬变性。双频接收机就是利用电离层的扩散性，将 L1 和 L2 的观测值进行线性组合来消除电离层的影响。电离层对码观测值和载波相位观测值的影响数值相同、符号相反。这就是电离层的互补性。CCD 技术即利用此互补性，使单频 GPS 接收机的测程由 20km 急剧扩大到 300km。电离层对定位的影响，随时间（每天、每月、每年）和地点而迅速变化，此即电离层的瞬变性。 （3）对流层误差。对流层误差同点间距离和点间高差密切相关，一般可达 3ppm。为了保证 RTK 达到 cm 级精度，要求对测站有关的误差一起模拟。目前，常用的单、双频 RTK 系统的数据链电台多为美国 PCC 公司35W（基地站）和 2W（移动站）电台。实验表明，当两山顶之间能通视、距离为 47km 时，也可收到差分信号。但是，移动站在城镇区作业时，如两点之间有房屋遮挡，即使相距 1km 也很难收到差分信号。因此，国际上将 RTK 技术通常只用于几公里范围内两点之间准光学通视的放样测量。4 结束语 本文就动态 GPS(RTK)进行测量时 GPS 系统、RTK 系统、作业环境、观测方案、观测者的技术和经验等 5 个方面的因素对测量结果的影响进行论述，提出 RTK 测量误差来源及解决措施，实际生产工作中应注意的要点，可供测量同行参考。
