摘要：GPS全球定位系統在工程測量方面的應用已越來越普及,在上海市青草沙水庫工程中,利用GPS實時動態(GPSRTK)測量系統,成功地解決了水深測量時的平面定位和高程測量。通過工程應用，本文對GPSRTK測量精度的影響因素進行了分析，并提出了相應的控制對策。
　　關鍵詞：GPSRTK；水下地形測量；精度影響因素
　　
　　
　　一．工程概述
　　上海市青草沙水庫工程位于長江口北港上口長興島的北側、中央沙下游與長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。水庫的建成，可形成有效庫容5.53億立方米，日原水供應規模達950萬立方米，受益人口超過1000萬人。工程預計2010年實現向市區供水，2012年全部完工。
　　水庫原水工程系統主要由水庫及取輸水泵站工程、過江管道工程和陸域輸水系統以及輸水泵站等工程組成。水庫環庫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，總長度約33.1km，原海塘加高加固堤線總長度約16.3km。
　　為滿足工程可行性研究階段的需要，對庫區進行1：5000水下地形圖測量。經論證，確定采用GPSRTK技術進行水下地形測量，該技術可以減少實際作業人數，提高工作成效。
　　二．GPSRTK原理
　　GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知點的起算數據，采用空間距離后方交會的方法來確定待測點的位置。常規的GPS測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要事后進行解算才能獲得高精度的測量結果，而RTK(Real-timekinematic)技術即動態實時載波相位差分技術，是實時處理兩個測點載波相位觀測量的差分方法，是能夠在野外實時得到厘米級的定位精度的測量方法，它的出現是GPS定位技術上的又一項重大突破，它使GPS技術向更深、更新、更廣泛的方向發展。這一高新技術已在工程測量、地藉測量、和大面積測圖等領域得到廣泛應用，極大推進了測量行業技術的革新。
　　在RTK作業模式下，它分為基準站和流動站，基準站通過數據鏈實時地將測量的載波相位觀測值、偽距觀測值、基準站坐標及差分改正數等用無線電傳送給運動中的流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，得到基準站和流動站坐標差△X、△Y、△H。坐標差加上基準站坐標得到每個點的WGS-84坐標，通過坐標轉換參數轉換得出流動站每個點的平面坐標X、Y和海拔高H。得到厘米級定位結果，歷時幾秒鐘。流動站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，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，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。
　　三．GPSRTK儀器介紹
　　本次作業所使用的儀器為集GPS接收機、天線為一體的美國Trimble5800測量系統。它包括先進的24通道雙頻GPS和WAAS/EGNOS接收機，并內有增強實時動態測量的eRTK技術完全集成的內置無線電調制解調器。實時定位精度為：平面10mm＋1ppm，高程20mm＋2ppm。初始化時間小于30秒。單個基準站作業半徑可達20～30公里。
　　
　　四．作業準備
　　(一)測區D級GPS控制網的建立
　　庫區海塘上布設加密GPS平面控制網，控制網控制范圍盡量覆蓋整個測區，按D級GPS要求進行施測，結合已有此區域控制網資料，根據GPS網形要求和工程要求，共選取了17點與已知平面點G3355、G3354、G3357組網。采用靜態雙頻GPS進行觀測。經過數據處理和基線解算，D級GPS網的最弱點點位中誤差、最弱邊相對中誤差、邊長相對中誤差等各項精度指標均遠高于規范規定，點位平面誤差詳見表1。所有GPS點的高程均按照水準測量規范進行四等水準測量以確定。
　　表1GPS網平差后點位平面精度表
　
　　(二)坐標轉換
　　平面坐標轉換是將GPS測量結果轉換為測區地方坐標，一般采用二維相似轉換算法，GPS測得的緯度和經度轉換到地方地圖投影平面，然后再用轉換參數（尺度比、旋轉角和平移量）將其轉換為地方坐標。GPS測量技術得到的是WGS84坐標系的坐標。為使滿足本工程的使用的需要，就要建立WGS84坐標到地方坐標系、WGS84大地高到地方高程的轉換參數。用控制點聯測法求解坐標轉換參數適用于當測區已有地方假定坐標系。在此次作業過程中我們聯測了測區的GPS控制點GQ1、GQ6、GQ19、GQ22、GQ26、GQ30,獲得精度較高的轉換參數。
　　(三)基準站位置的確定
　　GPSRTK基準站架設點的選取不僅要考慮點周圍遮擋物，以及大功率無線電發射臺、變電站、高壓輸電線等無線電干擾源對GPS信號的影響，還要考慮基線長度對測量精度的影響。通過比較分析，選取地勢較高、無遮擋的GQ6、GQ19、GQ22點作為水下地形測量時的基準站，詳見圖1。
　　
　　圖1GPSRTK基準站點位示意圖
　　
　　五．水下地形測量實施
　　工程作業時采用兩臺TrimbleRTKGPS流動站及一臺TrimbleRTKGPS基站進行水上平面定位和水面高程測定。水深測量采用兩臺中海達HD-27測深儀進行，導航軟件采用“Haida海洋測量軟件28”，軟件自動同步定位、導航和采集水深。為了消除計算機和GPS時鐘誤差，導航軟件的定位、導航和采集水深的時間統一為GPS的時鐘時間。
　　(一)GPSRTK測量的實施要點
　　測量船停泊在平靜的水域,測深儀換能器安裝在距船首1/3～1/2船長處，以消弱船動吃水誤差。在換能器探頭中心的同一豎軸線上架設GPS接收機天線，并連接GPS接收機與測深儀,打開水深測量軟件,設置好相應的連接參數及記錄格式、數據格式等環境參數。要利用GPSRTK的實時高程替代水位,需要把流動站的接收機天線高度設置正確，應在測深軟件中修改為接收天線中心到靜止水面的高度。根據以上設置，RTK接收機天線到換能器中心的距離應等于RTK接收機天線高的數據加上換能器吃水數據。此時，就可以利用RTK的實時高程,替代水位觀測,且其精度達厘米級。
　　測量前用聲速儀對測深儀進行校正。流動站天線到水面高每天作業前均用小鋼尺精確量取，并設定到導航軟件(在測深儀計算機中)和RTK手簿中，同時岸上用全站儀測定水面高程，與導航軟件測定的水面高和RTK測定的水面高進行比對，再用測尺測定水深，與測深儀測定的水深進行比對，所有比對結果一致后才開始作業。
　　水下數據采集為每秒一組，然后內業進行數據篩選。為了保證水面高程測定的精度和可靠性，每天水下測量的同時在岸邊進行全站儀直接驗潮，在水下作業開始前10分鐘進行測定，時間間隔10分鐘，一直持續到水下作業結束后10分鐘。水下地形測量按斷面法進行布線，斷面間距100m，斷面與堤線連線垂直。計劃測線覆蓋整個測區。水下地形測量除按計劃測線進行測量外，還在測區測量了約75km的重合或相交測線進行水下高程比對，經檢核重合區域的高程較差不大于±10cm。水下地形測量數據采集的數據轉換采用“Haida海洋測量軟件28”轉換成“南方CASS成圖系統”軟件的數據格式，與陸地地形合并，進行數字化成圖。
　　(二)實時高程替代水位觀測的優點
　　1.不用考慮測量船的動吃水,因為船體上升與下沉時,在RTK測量的實時高程中得到了反映,省去了動吃水改正這一項。在漲潮與退潮時間段,潮位變化大,此時RTK實時高程測量解決了水位不斷變化問題,實時測出測點處水面高程。
　　2.測量時測船會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實時高程做出真實的記錄。RTK實時高程測量,減弱了水深測量過程中因許多瞬間不確定因素對最終水深觀測量值的影響,使最終水底高程測量值更接近于真值。
　　六．影響RTK精度的因素分析及對策
　　通過實際作業，本文發現GPSRTK精度的影響因素主要有：
　　（一）基準站坐標精度。由RTK的工作原理可知，如果基準站的坐標精度較低，流動站得到的三維坐標都帶有系統偏差，因此基準站坐標具有較高精度非常重要；
　　（二）坐標轉換參數精度；
　　（三）作業環境。基準站的選擇要合適。要盡量遠離大功率的無線電發射臺，如高壓線、變電站、飛機場等；
　　（四）人員因素。測量員作業不熟悉，在作業時，如果屏幕顯示不是RTK固定就記錄數據，會使測量點的精度很低，甚至出現粗錯；如果接受機天線未保持垂直，測設的成果就不可取，人為地減低了測設點坐標精度；如果電瓶電量不足，也會降低流動站測設坐標精度和可靠性。
　　為提高GPSRTK測設精度，在作業工程中需要采取一下必要的措施：
　　（一）基準站盡量選取在較高的位置，要適當提高基準站發射天線的高度。盡量采用已建成的國家高等級GPS點或在一個控制網內經過統一平差的GPS點，使用適當多的已知控制點。
　　（二）根據衛星星歷預報，選擇幾何圖形強度因子較小、衛星數量較多的時間段進行測設。適當延長在每個測設點的時間，并且流動站天線盡可能保持垂直，以確保測設出的數據是固定解。
　　（三）將流動站的作業半徑控制在10km以內，若想提高作業距離，可用定向天線，定向天線可以使信號集中在某一個方向上，因此當將天線指向正確的方向時，能明顯提高作業距離，或者也可以選擇電臺中繼站，即在合適的距離增設一臺中繼站電臺，中繼站電臺一邊接收來自基準站發射來的數據，一邊發射這些數據，這樣也能明顯提高作業距離。
　　（四）求取轉換參數時，嚴格檢查各控制點的坐標，并仔細檢查RTK點校準的H殘差和V殘差值，看其數據是否在規定允許的范圍內。
　　（五）供電電瓶一定要有足夠的電量。
　　7結語
　　本文通過GPSRTK技術在水下地形測量中的實際工程應用，深切的體會到：
　　（一）GPSRTK作業有著極高的精度，觀測速度快，在水上測量中不需要預報潮位，平面定位方便，非常適合于大規模的水下地形測量及其它地形測量等。
　　（二）GPSRTK測量可以大大提高成果質量，自動化程度高，它不受人為因素的影響，整個作業過程由電腦控制，自動記錄、自動數據預處理、自動計算，大地降低勞動作業強度，減少工作量。
　　（三）在工程測量中，可以直接運用GPSRTK技術進行實地實時放樣、點位測量、導線控制測量等，提高作業效率，越來越受到人們的青睞。
　　（四）運用GPSRTK技術測量得到的三維數據形成了相應的電子文件，這些數據便于保存和方便其他工程或建立工程管理數據庫使用。
　　
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