基于 RTK基准站任意架设技术的探讨

基于 RTK基准站任意架设技术的探讨

张育锋

陕西地建勘测规划设计院 西安 710075

【摘要】在图根控制测量、施工放样、工程测量及地形测量等领域，广泛应用RTK技术。RTK技术是一种利用GPS载波相位进行实时动态相对定位的技术。传统的RTK技术往往需要将基准站架设在已知坐标上，但是实际的测量工作中存在已知点离测区较远或测区根本没有已知点的问题。RTK基准站任意架设技术恰好可以解决这些问题，RTK基准站的位置不一定非得架设在已知点，此时利用测区多个控制点进行坐标转换，可以将移动站测得的84坐标转换为地方坐标和高程，此项技术已经广泛应用到各种测量领域。

【关键词】GPS-RTK；单点定位；RTK任意基准站；坐标转换

1 引言

RTK（Real Time Kinematic）是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术，它可以使用户在很短时间内获得厘米级精度的定位结果。RTK技术可以对获得的精度进行评定，减少了成果不合格而导致的返工的几率，而且RTK测量具有布点灵活、定位精度高、测站之间无需通视等优点，因此被广泛的应用于图根控制测量、施工放样、工程测量及地形测量等应用领域。但是，在以往用RTK进行测量作业时，基准站必须架设在已知点上，这样设置往往会引起许多问题。比如：架设在已知点上，必须进行严格的对中、整平，而且需要量取仪器高，过程比较繁琐；测区假如离控制点较远，会造成架设基准站复杂；测区如果环境恶劣，则可能造成不适宜架设基准站。基于这些种种问题，测量工程技术人员和学者经过长期摸索和实践，探索出解决这些问题的方法：RTK任意基准站技术。这种技术不需要将基准站架设在已知点上，可以根据测区具体情况，将基站架设在较高、视眼开阔、信号无遮挡的地方。RTK任意基准站技术方法在测量中实用性高，但是很多测量技术人员不太清楚这种方法的测量原理，本文就在介绍传统的RTK的原理的基础上，着重对RTK任意基准站技术的原理进行阐述。

2 RTK定位相关概念

2.1 单点定位

根据卫星星历以及一台GPS接收机的观测值来独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法称为单点定位，也称绝对定位。单点定位包括：测码伪距观测值进行单点定位和精密单点定位。

2.2 相对定位

确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（坐标差）的定位方法称为相对定位。两点间的相对位置可以用一条基线向量来表示，故相对定位有时也称为测定基线向量或简称为基线测量。相对定位包括：静态相对定位和动态相对定位。

3 GPS-RTK基本原理

GPS-RTK技术是一项实时载波相位差分定位技术（如图1所示），它是GPS技术和数据通信（数据传输）技术相结合的技术。它的基本原理是：将一台接收机放在已知点上，另一台或者几台接收机放在测量点（移动站）上，基准站和移动站同时对同卫星进行信号监测和接收，然后数据通信链实时地把载波相位观测值以及已知的站坐标等信息播发给在附近工作的流动用户。然后附近的用户就能根据基准站及自己所采集的载波相位观测值利用RTK数据处理软件进行实时相对定位，进而根据基准站的坐标求得自己的三维坐标，并估计其精度，这样子的精度可达厘米级。差分GPS分为位置差分和距离差分两种形式。前者是将位置差分的改正矢量播发改移动站，对移动站的载波相位进行改正，然后求出移动站的空间位置坐标；后者是将基准站的载波相位直接发给移动站，并由客户将观测值进行坐标求差解算。GPS-RTK测量通常是在已知测量点上架设基准站（如图1，在84系统中，已知点i处架设基准站），这时候，基准站需要进行严格的对中整平，这时候测得的移动站坐标为：

图1 RTK测量示意图

（1）

上述公式中， 、 、 为经过改正后的位置分量， 、 、 为已知基准站的84坐标； 、 、 为移动站的84坐标。

4 RTK任意基准站技术原理和方法

4.1 任意基准站架设实现方法

GPS-RTK任意基准站测量时，基准站的位置可以任意选择，基准站不需要严格的对中整平等。如图1所示，基准站i准确的84坐标是未知。基准站i的84坐标采用单点定位取得，设单点定位取得的坐标为（ ， ， ），移动站的84坐标为（ ， ， ）为

（2）

公式（2）中 、 、 是位置分量，这个位置分量是严格准确的，而这个分量是移动站和基准站的相对位置分量。所以，移动站k相对于基准站i是严格准确的。由于基准站i是任意设站，而且用的单点定位进行测量，所以基准站i的精度特别差。这里我们假设基准站i的准确坐标为（

、 、 ），那么假设的准确坐标和真实的有误差的坐标相差（ 、 、 ），那么在基准站i下测得的所有点的84坐标都存在同样的偏移量（ 、 、 ）。

我们通过高斯投影、水平坐标四参数转换和高程拟合来实现任意基准站技术。高斯投影是将椭球上的点按照一定的数学法则投影到平面上，获得这些点的平面坐标的方法。水平坐标四参数的转换是将当地坐标系下的坐标（X、Y）通过旋转、平移，加上尺度因子得出来的。高程拟合是指将测区内一些分布均匀的水准点拟合出他们的正常高和大地高的高程异常值，从而求出他们的正常高。

4.2 任意基准站实现过程

这个过程需要重设当地坐标，重设当地坐标就是需要测区内一个精度较高的控制点，还需要再测区内任意架设基准站，然后再控制点固定解的情况下进行坐标转换工作。这项工作的前提是上文提到的四参数转换和高程异常值都已经计算得出。将基准站架设在未知点上，通过单点定位过得未知点坐标，假设已知控制点为k，测量已知控制点坐标，则控制点k的坐标（ ， ， ）为

（3）

因为根据相对定位的原理，未知点和控制点k之间的位置向量 、 、 是准确的，我们不妨将控制点k设置为基准站，将未知点设置为移动站，通过控制点k的地心坐标就可以求出未知点准确的地心坐标。

5 总结

通过RTK任意基准站的设置，可以在进行测量时，不需要严格对中整平并且量取仪器高，这样子不仅有利于提高RTK测量的精度还可以大大提高测量效率，减少测量中的成本。

【参考文献】

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].2版.武汉：武汉大学出版社,2010.

[2]王峰,高飞.关于RTK基准站任意架设技术的探讨和分析[J].科学技术与工程,2007（20）：22-26

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