1、 中铁十二局一公司 GPS RTK 误差分析及控制方法 潮漳高速 TJ2 标 许峥波 GPS RTK 误差分析及控制方法 1 / 7 目录 目录 1 【摘要】 .2 【关键字】 2 GPS RTK 的工作原理 2 1、实时载波相位差分 2 2、坐标转换 2 RTK 定位的误差，一般分为两类 .3 1、 同仪器和干扰有关的误差： .3 2、同距离有关的误差： .3 同仪器和干扰有关的误差 4 1、天线相位中心变化 4 2、多径误差 4 3、 信号干扰 4 4、气象因素 4 同距离有关的误差 5 1、轨道误差 5 2、电离层误差 5 3、对流层误差 5 总结： .6 GPS RTK 误差分析及控制
2、方法 2 / 7 【摘要】 本文主要介绍了 GPS RTK 的工作原理，比较系统的分析了 GPS RTK 测量的误差来源，有针对性的提出了 GPS RTK 测量误差的应对措施 【关键字】 GPS RTK 基准站 流动站 GPS RTK 的工作原理 1、 实时载波相位差分 我们知道，在利用 GPS 进行定位时，会受到各种各样因素的影响 (见上节中的 GPS 误差源 ),为了消除这些误差源 ,必须使用两台以上的 GPS 接收机同步工作 .GPS 静态测量的方法是各个接收机独立观测，然后用后处理软件进行差分解算。那么对于 RTK 测量来说，仍然是差分解算，只不过是实时的差分计算。 也就是说，两台接收
3、机（一台基准站，一台流动站）都在观测卫星数据，同时，基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号（或载波相位差分改正信号）发射出去；那么，流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号；在这两信号的基础上，流动站上的固化软件就可以实现差分计算，从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。在这一过程中，由于观测条件、信号源等的影响会有误差，即为仪器标定误差 ,一般为平面 1cm+1ppm，高程 2cm+1ppm. 2、 坐标转换 空间相对位置关系不是我们要的最终 值 ,因此还有一步工作就是把空间相对位置关系纳入我们需要的坐标系中。 GPS 直接反映的是 WGS-84 坐标 ,而
4、我们平时用的则是北京 54 坐标系或西安 80 坐标系 ,所以要通过坐标转换把 GPS 的观测成果变成我们需要的坐标。这个工作有多种模型可以实现，我们的软件采用的是平面与高程分开转换，平面坐标转换采用先将GPS 测得成果投影成平面坐标，再用已知控制点计算二维相似变换的四参数，高程则采用平面拟合或二次曲面拟合模型，利用已知水准点计算出该测区的待测点的高程异常，从而求出GPS RTK 误差分析及控制方法 3 / 7 他们的高程。坐标 转换也会带来误差，该项误差主要取决于已知 点的精度和已知点的分布情况。 从上可以看出， RTK 的测量精度包括两个部分，其一是 GPS 的测量误差，其二是坐标转换带来
5、的误差。 对于南方 RTK 设备来说，这两项误差都能够反映， GPS 的测量误差在实时测量时可以从手簿上的工程之星中看得到（ HRMS 和 VRMS） .对于坐标转换误差来说，又可能有两个误差源，一是投影带来的误差，二是已知点误差的传递。当用三个以上的平面已知点进行校正时，计算转换四参数的同时会给出转换参数的中误差（北方向分量和东方向分量 ,必须通过控制点坐标库进行校正才能得到 )。值得注意的是，如果此时发现转换参数中误差比较大（比如，大于 5cm） ,而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内，则可以判定是已知点的问题 (有可能找错点或输错点 )，有可能已知点的精度不够，也有可能已知点
6、的分布不均匀。当平面已知点只有两个时，则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件，无多余条件，也就不能给出坐标转换的精度评定 ,此时，可以从查看四参数中的尺度比 来检验坐标转换的精度，该值理想值为 1，如果发现 偏离 1 较多（比如： |-1|1/40000 ，超出了工程精度），则在保证 GPS 测量精度满足要求的情况下，可判定已知点有问题。 RTK 定位的误差，一般分为两类 1、 同仪器和干扰有关的误差： 包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素。 2、 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。 对固定基准站而言，同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同距
7、离有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大，所以 RTK 的有效作业半径是非常有限的（一般小于 20 几公里）。 GPS RTK 误差分析及控制方法 4 / 7 同仪器和干扰有关的误差 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。天线相位中心的变化，可使点位坐标的误差一般达到 3-5cm。 因此，若要提高 RTK 定位精度，必须进行 天线检验校正，检验方法分为实验室内的绝对检验法和野外检验法。 2、 多径误差 多径误差是 RTK 定位测量中最严重的误差。多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为几厘米
8、，高反射环境下可超过 10cm。 多径误差可通过下列措施予以削弱： A、选择合适的站址 测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草和其他地面植被能较好地吸收微波信号的能量，是较为理想的设站地址。翻耕后的土地和其他粗糙不平的地面的反射能力也较差，也可以选站。 测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中。以避免反射信号从天线抑径板上方进入天线，产生多路径效应 。 测站应离开高层建筑物。观测时，汽车也不要停放得离测站附近。 B、 在天线中设置抑径板。 接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。 3、 信号干扰 信号干扰可能有多种原因，如无线电发射源、雷达装置、高压线等，干扰的强度取决于频率、发射台功
9、率和至干扰源的距离。 为了削弱电磁波幅射副作用，必须在选点时远离这些干扰源，离无线电发射台应超过 200米，离高压线应超过 50 米。在基地站削弱天线电噪声最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周跳和信噪比。 4、 气象因素 快速运动中的气象峰面，可能导致 观测坐标的变化达到 1-2dm。 因此，在天气急剧变化时不宜进行 RTK 测量。 GPS RTK 误差分析及控制方法 5 / 7 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准站技术来消除。但是，其残余部分也随着至基地站距离的增加而加大。 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（ 10k
10、m）而言，对结果的影响可忽略不计。但是，对 20-30km 的基线则可达到几厘米。 2、 电离层误差 电离层引起电磁波传播延迟从而产生误差，其延迟强度与电离层的电子密度密切相关，电离层的电子密度随太阳黑子 活动状况、地理位置、季节变化、昼夜不同而变化，白天为夜间的 5 倍，冬季为夏季的 5 倍，太阳黑子活动最强时为最弱时的 4 倍。利用下列方法使电离层误差得到有效的消除和削弱：利用双频接收机将 L1 和 L2 的观测值进行线性组合来消除电离层的影响；利用两个以上观测站同步观测量求差（短基线）；利用电离层模型加以改正。 实际上 RTK 技术一般都考虑了上述因素和办法。但在太阳黑子爆发期内，不但
11、RTK 测量无法进行，即使静态 GPS 测量也会受到严重影响，太阳黑子平静期，小于 5ppm。 3、 对流层误差 对流层是高度为 40km 以下的大气 层，其大气密度比电离层更大，大气状态也更复制。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的上升而降低， GPS 信号通过对流层时也使传播的路径发生弯曲，从而使距离测量产生偏差，这种现象叫做对流层折射。 对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关，这也使得对流层折射比电离层折射更复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关，当在天顶方向（高度角为90），其影响达 2.3m；当在地面方向（高度角为 10），其影响可达 20m。 RTK 模式时移动站和基准站有效作用半径相距不太远（一般小 于 20km），由于信号通过对流层的路径相似，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。这一方法在精密测量相对定位中被广泛应用。 GPS RTK 误差分析及控制方法 6 / 7 总结： 为了保证 RTK 的高精度 ,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正，而且点精度要均等，并要均匀分布于测区周围 ,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定 .如果利用两点校正 ,一定要注意尺度比是否接近于 1.
