GPS(RTK)平面定位技术在城市地下管线测量中的应用分析

GPS（RTK）平面定位技术在城市地下管线测量中的应用分析GPS（RTK）graphic positioning technology in the urban underground pipeline Measurement Analysis 深圳市大升高科技工程有限公司 徐建华Shenzhen dasheng hi-tech engineering co., ltd Xujianhua （广东 深圳 518055） 摘要： GPS（RTK）平面定位技术是GPS定位技术最新发展技术，应用于城市地下管线测量中，其主要优点有操作快捷、直观、平面定位精度高、自动化程度高、误差不累积等优点，提高了地下管线测量质量、工作效率。本文主要介绍GPS(RTK)平面定位技术应用于地下管线测量中的基本原理、系统组成、测量基本规定、误差来源，并通过对GPS(RTK)在不同工作环境中的状态和能达到的技术指标，寻找出适宜GPS（RTK）的地下管线测量工作环境及应注意的相关问题。Summary: GPS (RTK) plane positioning technology GPS technology is the latest development of technology, technology for measuring urban underground pipeline, the operation of its main advantages are fast, intuitive, high-accuracy plane positioning, high degree of automation, the error does not accumulate, etc., to improve the underground line measurement of quality, efficiency. This paper describes the GPS (RTK) positioning technology for underground pipeline plane measurement of the basic principles, system components, measuring the basic requirements, error sources, and by GPS (RTK) in different working environment and to achieve the status of the technical indicators to find out the suitable GPS (RTK) surveying underground pipelines and should pay attention to environmental issues.关键词：GPS（RTK）、原理、规定、误差。Keyword：GPS（RTK）、Principle、Provision、Error。1 GPS（RTK）工作原理GPS是以人造卫星组网为基础的无线电导航定位系统。利用设置在地面或运动载体上的专用接收机，接收卫星发射的无线电信号实现导航定位。RTK平面定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，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。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理。2 GPS（RTK）系统组成2.1基准站部分，在一定的观测时间内，一台或几台接收机分别固定在一个或几个测站上，一直保持跟踪观测卫星，并提供差分坐标、星历等信息。2.2差分传送部分，将基准站差分数据传输给移动站，包括测站坐标、观测值、卫星跟踪状态等数据。2.3移动站部分，接收GPS信号及基准站差分信号，并进行解算，得到实时的高精度定位结果。2.4手簿终端控制器，内置RTK测量软件，可设置基准站，移动站的工作参数，显示运动中的移动站实时坐标成果、测量技术参数。3 GPS（RTK）在城市地下管线测量中基本规定3.1坐标系统和时间系统3.1.1 GPS(RTK)在测量中应采用WGS 84坐标系统。3.1.2城市地下管线测量中大多采用1954北京坐标系、1980西安坐标系或城市独立坐标系，1985国家高程基准。GPS(RTK)测量时应进行坐标、高程转换。坐标系统投影变形应不大于1/40000（即2.5cm/Km），工程另有比1/40000高的规定的，按高标准执行。3.1.3 当采用城市独立坐标系时，应确定下列技术参数：1）坐标系采用的参考椭球体基本几何参数。2）起始点坐标和起始方位角。3）中央子午线经度值及纵、横坐标加常数。4）投影面高程及测区平均高程异常。3.1.4 GPS(RTK)测量时间系统采用协调世界时UTC。当采用北京标准时间时，应考虑时区差加以换算,北京时间为+8时区。3.2测量精度及基本技术要求3.2.1 GPS(RTK)测量精度：平面 10mm+2ppm；高程 20mm+2ppm。流动站至参考站点间精度用下式表示：s =式中： s 标准差 (mm) a 固定误差 (mm) b 比例误差系数 (mm/km) d 流动站至参考站点间距离 (km)3.2.2 GPS(RTK)测量距离GPS(RTK)测量距离根据GPS(RTK)数据链的传播限制和定位精度要求确定，根据测区具体情况，可设置不同的发射天线高度和架设中继站增长传播距离，但在城市地下管理线测量中RTK测量距离一般不宜超过5km。数据传输距离和测站天线高度理论上的关系式为：D=4.24（ +）式中D为数据链覆盖范围的半径，单位为公里（Km）；h1和h2 分别是基准站和流动站电台的天线高，单位为米（m）。3.2.4 GPS(RTK)在地下管线测量中的具体技术质量要求: GPS(RTK)在地下管线测量中的具体技术质量要求表 表3-1内容限差内容限差卫星高度角15PDOP值6有效卫星总数5RMS0.02m图根控制点测量时间1530s管线点测量时间510s测量图根控制点时平面限差15mm测量图根控制点时高程限差20mm测量管线点平面坐标时平面限差50mm测量管线点平面坐标时高程限差30mm3.3仪器设备3.3.1 参考站的基本配置GPS双频RTK接收机，天线和天线电缆，电源，手持计算机控制或数据采集器(含实用软件)，脚架、基座和连接器，仪器运输箱等。3.3.2 流动站的基本配置GPS双频RTK接收机，天线和天线电缆， 流动站数据链电台套件，手持计算机控制或数据采集器(含实用软件)，手簿托架，流动杆，流动站背包(分体机需要)，仪器运输箱等。3.3.3 无线电数据链的基本配置：1）基准站发射电台：一般为外置的独立电台。2）流动站接收电台：一般为内置在GPS接收机内部。3）中继站电台：可以转发接收站信号，既接收基准站发送的信号，又将接收信号发送出去，一般为外置的独立电台。3.4求解转换参数3.4.1求解转换参数：1)每个作业测区分别进行求解转换参数。2)平面坐标转换应用七参数或三参、四参数法，高程转换应用拟合法。使用随机软件进行求解。3)转换参数可根据测区控制点的两套坐标求得。控制点精度平面应在D级及以上，高程应在四等水准及以上，两套坐标分别是WGS84大地坐标（B,L,H）或(X,Y,Z)，和平面坐标、正常高（x,y,h）。4)宜运用一个测区中的4-8个已知的GPS点进行平面和高程点进行求解，平面点不得少于3个，高程点不得少于4个，应包围作业测区并均匀分布（见图1）。 5)相邻测区求解转换参数所用控制点应将相邻区域内的控制点做为共用点使用。6)转换参数求解可分内业求解和外业实测求解。在已知控制点两套坐标不全时，可在现场采集数据后计算转换参数。在采集地形点时可先测后求转换参数。测量平面或高程点时必须对应先求解转换参数，残差合格后方可进行测量。7)转换参数残差：平面坐标应小于15mm，高程应小于25mm。3.5基准站的系统设置3.5.1基准站点位选择：基准站设置在作业测区内任一个已知控制点上，外业实测求解时可在测区内任选新点。在地形比较困难的测区，且不测设控制点时可将基准站设在带有高程的导线点上，或者可用RTK进行一次转点，转点测量时须用支撑架设置流动站天线，测量时间应大于3分钟或者采集三次数据取均值做为转点的成果，不宜连续转点。3.5.2点位要求：1) 对用作基准站的控制点应根据技术和生产计划在图上进行设计；2) 基准站应尽量设置于测区中部或相对制高点上，以方便电台信号发送和数据传送的覆盖区域；3) 应选择便于安置仪器，周围视野开阔，通视情况良好，高度角15以上无障碍物阻挡卫星信号；4) 应远离大功率无线电发射源等大型电磁发射源200米外，远离高压输电线路、通讯线路50米外，避免周围电磁场对GPS卫星信号的干扰；5) 周围应无信号反射物（大面积水域、大型建筑物等），以减弱多路径效应；6) 点位应布设于交通方便，基础稳定，易于保存的地方，尽量避开交通要道、铁路、道路路基，避免过往车辆、行人的干扰。3.5.3基准站设置要求：1) 基准站上仪器架设要严格对中、整平，对中误差不大于3mm；2) 严格量取基准站接收机天线高，量取二次以上，互差小于3mm时记录均值；3) GPS天线、信号发射天线、主机、电源等应连接正确；4) 建立项目或作业，选择测区的坐标系统及转换参数，输入用于基准站控制点的已知坐标；5) 选择RTK测量方式启动基准站接收机，一般不记录静态数据，在进行管线点测量时，可选择记录静态数据，便于RTK接收不到电台信号时的测量后处理；6) 电台连接正确，确保供电，频率调节同流动站一致；7) 基准站工作期间，工作人员不能远离，要间隔一定时间检查设备工作状态，对不正常情况及时作出处理。不允许关机又重新启动，不允许关闭或删除文件，不允许改变天线位置，不允许改变卫星截止高度角或天线高、天线类型、测站名等。3.6流动站的设置3.6.1检查流动站记录器内存或PC卡容量能否满足工作需要，检查是否备足电源。3.6.2 GPS天线、主机、电台接收天线、电源等应连接正确。3.6.3流动站一般采用2m对中杆作业，当高度不同时，应实测修正。3.6.4建立项目或作业，选择测区的坐标系统及转换参数（同所用参考站一致），输入或传入控制点的已知坐标及其它测设的点、线、面等资料。3.6.5选择RTK测量方式，频率调节同参考站电台一致后启动流动站接收机。3.6.6流动站的内置软件应有下列功能：坐标转换参数求解、测量结果的实时显示、失锁后自动重新初始化等工程应用软件。4 GPS（RTK）测量误差来源如果要想了解RTK测量的主要误差来源，需要先了解GPS的主要误差源具体类别。 GPS误差来源 4-1误差来源对距离测量影响卫星部分1、星历误差2、钟误差3、相对论效应1.515信号传播1、电离层2、对流层3、多路径效应1.515信号接收1、钟的误差2、位置误差3、天线相位中心变化1.55其他影响1、地球潮汐2、负荷潮1.0 RTK误差来源、测量精度及处理方法 4-2RTK定位误差同仪器干扰有关天线相位中心变化天线的机械中心和电子相位中心不重合，误差一般达到35cm。提高RTK精度方法天线检验校正多路径误差大小和周围的环境有关，一般误差110cm不等，提高精度的方法，选择不具反射面的点位，专业的天线，铺设吸电波材料等。信号干扰周围有干扰源，天线电发射源，高压电线等。提高精度的方法，远离干扰源。气象因素快速运动的气象锋面引起，一般12cm，气象变化较快时，不进行观测象。同距离有关误差电离层误差和电离层引起电磁传播延迟有关，主要和太阳黑子活动、地理位置、季节变化、昼夜变化有关。提高精度的方法，两个以上观测站同步观测，利用电离层模型改正。太阳黑子活动剧烈时不宜观测，平静时一般误差为5*10-6轨道误差目前轨道误差只有几米，残余相对误差是1*10-6，就短基线10km，结果影响可以忽略不计。对流层误差对流层误差同点距离和点间高差密切相关，一般可达3*10-65 GPS（RTK）测量精度可靠性试验GPS（RTK）仪器在工作时，通常受到工作时段的卫星状态、气候条件、作业环境等方面的影响，这些影响直接影响到仪器设备的测量精度，因此对GPS（RTK）测量精度进行必要的试验、一定量的数据检测是必须的。我们在深圳地区使用中海达（V8 star）RTK仪器（平面精度1cm+1ppm，高程精度2cm+1ppm）进行了控制及管线点平面坐标和高程数据采集，对其测量精度进行了验证和测试。验算公式为：平面坐标误差计算公式为： Mcs=高程误差计算公式为： Mch=其中：s、分别为管线点平面位置较差、高程较差；n为检查点数。5.1 控制点精度的验证在测区内，首先利用拓普康GTS-332N全站仪布设一条7个点的二级导线，然让把GPS（RTK）基准站架设在已知国土控制点上，在参数设定完后，移动站采用三脚架对中，在最佳的观测时段，对每点观测4次，每次观测时间不少于1分钟，4次观测数据的平均值作为该点的坐标、高程值，与二级导线成果进行误差计算，平坐标误差为2mm，高程误差为5mm，都在规范允许范围内。5.2管线点数据采集精度的验证对GPS（RTK）的作用，不只能局限于控制点加密，只有把它运用到最大限度，才能发挥它的有功效。为了验证在管线点数据采集过程中的精度情况和对自然环境的使用范围，我分不同区域验证了GPS（RTK）测量与全站仪测量的对比数据。在自然环境比较好，无遮挡物的地段，平坐标误差为13mm，高程误差为9mm，在规范允许范围内；在自然环境比较差，且两边有高大建筑物遮当，RTK初始化速度慢，测量精度也受到影响，平坐标误差为42mm，高程误差为63mm，其高程误差超过了规范允许的范围，但两边无高大建度物遮挡，适当的改变杆高，也能达到高精度的测量结果；在变压器下、变电站旁、超高压电线（10kv）下、树木高大、叶片茂密的地方进验证，RTK在这样的环境中无法展开工作，一直处于差分态，所测结果误差较大，不能使用。6 提高质量与精度的经验、方法及措施6.1编制科学、合理、可靠的测量技术方案。因技术方案的科学性、合理性和可靠性对观测成果的准确性起着至关重要的作用，对GPS（RTK）的作业时间、基准站位置的选择、坐标系统参数的选择、质量控制手段及数据检核路线等等提供科学的指导依据，并把GPS（RTK）和全站仪有机地结合在一起，充分发挥着各自的优势，提高了测量质量、工作效率。6.2在条件具备时，运用GPS（RTK）是一种较好的选择，在不具备条件时，可以用GPS（RTK）在合适位置施测一些图根点，提供给全站仪使用，将GPS（RTK）和全站仪有机地结合起来，达到事半功倍的效果。 6.3在使用GPS（RTK）技术施测控制点时（一般为加密图根点），应充分保证GPS（RTK）的平面、高程数据的精度，对基准站架设位置选择和移动站施测的周围环境都要高于管线点数据采集，尽量多的与周边已知控制点校核，对数据采取合理的粗差剔除。6.4对于GPS（RTK）失锁的情况下，要重新进行初始化，并在初始化完成后于临近的已知控制点进行校核，校核无误后方可作业。对于频繁失锁的地段，要使用全站仪对管线点进行数据采集。6.5基准站应架设在远离强电磁干扰和信号反映物的地方，基准站与流动站的距离应控制在5km的范围内，其参数设置尽量用七参数实施，这样可以保证了测量成果的准确性和稳定性。6.6每个作业段完成管线点数据采集后，要寻找邻近的控制点进行校核，校核无误后，方可移动基准站或全站仪测站到下个作业段作业。6.7在GPS（RTK）作业区域内由全站仪实施检测，在全站仪作业区域，具备条件，可由GPS（RTK）进行检测，不具备条件时，由全站仪在不同测站重复施测一定比例的管线点，这样可以增加检核机会、增大对比概率，保证其成果的准确性。参考文献：1、城市地下管线探测技术规程（CJJ61-2003、J271-2003）；2、城市测量规范（CJJ8-99）；3、全球定位系统（GPS）测量规范（GBT18314-2009）。7