RTK定位系統中GPS測量技術在水利水電工程測量中的應用研究

賈秀芳

(河北省石家莊水文勘測研究中心,石家莊 050000)

0 引 言

水利水電工程測量是指在水利水電工程建設中,通過使用測量技術和儀器設備,對工程地形、水文水資源、水力特性等進行精確測量和分析的過程[1]。水利水電工程測量涉及工程設計、施工、監測和運維等各個階段[2]。在水利水電工程測量中,常用的測量方法和技術包括全站儀測量、水準測量、GPS定位、遙感技術、雷達測量等[3]。

而實時動態(Real-time Kinematic, RTK)屬于一種以載波相位觀測值為基礎,進行實時動態相對定位的技術。在觀測定位過程中,RTK具有厘米級精度,作為一種新型衛星定位測量方法,受到水利水電工程測量的青睞[4-5]。但在工程實踐中,因其具有自成體系、界面協議未公開、體積龐大、價格昂貴等特點,不適于用于小規模目標探測,也不能與分機集為一體來實現多源信息的同步探測。

因此,本文以GPS技術為基礎,設計一套適合進行水利水電工程測量的RTK定位系統,以期實現水利水電工程的精確、快速測量。

1 面向水利水電工程測量的GPS測量優化

1.1 基于M8P的RTK系統設計及位置定位

RTK系統的組成包括基站和移動站,兩者配置無顯著差異,最大的區別在于其安裝方式和流程,因此通常以安裝方式來對其進行區分[6]。在GNSS系統中,由于各類誤差的存在,導致系統的整體誤差,進而影響系統的定位精度。RTK定位系統是一種差分GPS定位系統,其差分原理是利用接收機觀測到的數據進行計算,從而產生一套全新的、不依賴于觀測者測量結果的測站坐標系。由于GNSS系統中存在著眾多相互聯系但又獨立運行的衛星、基站和接收機等設備,因此產生了大量基于各種儀器設備上所形成的誤差。由于衛星存在一定的時空相關性,所以不同接收器在同一區域所測量得到的誤差也存在一定相關性,其中部分接收器的誤差分量還會出現完全一致的現象[7-8]。其原理圖見圖1。

圖1 RTK系統

由圖1可知,在RTK系統中,各基站會將自己的坐標信息與衛星共享,同時接收衛星數據,最后基站會將接收到的衛星數據和基站坐標信息進行打包,同時傳輸到移動站。此時,移動站將會采用差分處理的方式,處理基站信息和衛星數據,并計算移動站的坐標信息,同時將其同步到基站,實現移動站的定位。在GNSS技術中,各種誤差會引起總體誤差,從而對定位精度產生影響[9]。誤差因素包括衛星時鐘、衛星軌道、光速、信號形成時間誤差測量、多路徑、衛星幾何形狀[10-11]。其中,衛星星歷導致的誤差是以內在空間運行時,軌道會受到來自各方向的因素打擾,而導致衛星的軌道復雜化與無序運行。衛星軌道造成的基線誤差值以公式表示如下:

式中:ΔY為衛星軌道的誤差值;Δy為衛星軌道造成的基線誤差;l為基線長度;ΔY(m)為衛星軌道的誤差最大。

因此,在短基線RTK定位中,雙差定位模式對短基線RTK定位具有很好的抑制作用。全球導航衛星系統是一種將衛星與無線通信技術相結合的新型導航系統,它向接收端發送無線信號,并通過該信號推算出接收端的精確位置。GNSS衛星對接收端的空間位置進行測量,其最基本的觀測數據為載波相位觀和偽距觀測量。偽距觀測值的表達式如下:

ρ=c·(ti-tk)

(2)

式中:tk為發出信號的時刻;ti為接收到信號的時刻;ρ為偽距觀測值;c為衛星與用戶的幾何距離。

載波相位測量就是接收端發射的載波相位和接收端發射的信號之間的差異,而載波相位的改變本身就蘊含了距離信息,若能測量載波相位,則可推導出接收端到衛星之間的距離(相位改變×波長=距離)。接收機在測量中所得到的載波相位不完整,因此在測量記錄時,每個相位的觀測值便會被處理成一個模糊值,即表現出全周模糊性。載波相的第一個觀測為一周以內的十進制相,而不能觀察到一周模糊。在此基礎上,通過4顆衛星的聯合觀測,可以獲得厘米級的精度。不同于偽距觀測量,載波相位觀測量精度較高,其所適用范圍也越廣。

為此,RTK系統選擇載波相位觀測量,其難點是如何確定模糊度的定解。在系統設計中,將探測控制主機設定為基站,每個探測機都設定為移動臺,NEO-M8P-0作為移動臺電路部件,NEO-M8P-2用作基站電路部件,基站電路部件利用通訊鏈表向移動臺傳送 RTCM協議格式的數據,并由移動臺的算法對數據進行處理,以厘米級的精度輸出位置數據。

1.2 GPS-RTK測量技術在水利水電工程測量中的應用研究

在水利水電工程測量中,高程測量是一項比較基本的工作。在水利水電工程高程測量中,利用GPS測量技術,可以通過對衛星信號的分析,得到大地高程,并與水準儀等儀器相結合,計算出高程的差值,從而確定測量點的高程[12]。在得到相關數據后,要對其進行分析處理,對所得到的實際數據,按照實際要求進行篩選、分類,將不需要的信息排除掉,然后進行平差計算,確定相同基線邊的同步觀測值和平差結果,保證計算的精度。之后要對得到的GPS網與坐標系統進行高效變換,得到所需的數據信息。

RTK實時動態測量技術主要依靠載波相位觀測來實現動態監測,它是測量技術發展進程中的一個里程碑,它的出現和應用有著非常重要的意義。全球定位系統(GPS)是世界上首個可完全運行的全球導航衛星(GNSS)系統,既可用于民用,也可用于軍用[13]。GPS系統結構見圖2。

由圖2可知,該系統由3個部分組成,即空間部、用戶部和地面控制部。太空區段包括全部正在運轉的衛星;地面控制部分為整個地面站,包括主控站、監控站、地面控制站;用戶是指全部民用及軍事用戶[14]。為了提高現場工作效率,提高現場勘察質量,必須做好相關的前期準備工作。除了對設備進行定期檢查之外,對縱、橫剖面的測量也要盡量采用GPS-RTK技術。GPS-RTK技術的定位原理見圖3。

圖2 GPS系統結構

圖3 GPS-RTK技術的定位原理

由圖3可知,GPS-RTK系統包括基準站、流動站兩部分?；鶞收臼侵冈诟叱?、高海拔的已知參考點上,利用GPS衛星對其進行跟蹤觀測,并將參考站的位置、高程等信息實時傳送給流動站。RTK-GPS測量系統的工作效率與定位精度均高于其他系統,同時受氣候、季節、能見度等因素的影響甚少,且操作簡單。

在水利水電項目中,經常需要進行橫、縱剖面測繪,對土方的數量進行精確估算,從而為編制施工預算和施工計劃提供參考。在斷面測繪中,采用GPS-RTK技術,使施工人員能及時提供渠道的縱、橫斷面信息,精確設定渠基至中線的間距,從而為工程的標準化和合理化操作創造條件。

GPS-RTK技術應用在水利水電工程中,采用“同步圖形擴展式”和“異步閉合環”兩種方法進行布設。但采用“異步閉合環”法時,運行過程較為繁瑣,并且容易受外部因素的影響。因此,要保證精度,必須對基準站進行合理布設。數據采集與處理見圖4。

圖4 GPS-RTK技術的數據采集與處理

由圖4可知,GPS-RTK技術在測繪應用的數據采集中,首先將基準站的數據運輸至流動站,并對其進行質量檢測;對經過質量檢測的數據進行精度分析與處理。GPS-RTK技術一般在實際測繪工作中,必須對測區的實際狀況有充分的認識與把握,并據此進行合理布設,以保證后續測繪工作的順利開展;應嚴格遵守有關規程、規范,合理布設測網,確保測網合理。通過對GPS-RTK布設情況的分析,確定GPS-RTK的布設水平,并對其進行合理的布設,從而提高RTK的精度和工作效率。

2 RTK系統性能分析與水利水電工程測量應用

2.1 RTK系統的性能分析與對比

在搜索模糊度固定解之前,采用降相關方法,將模糊度浮點解與協方差陣進行降相關,以減少之間的相關性,然后再尋找一種固定的模糊度解集。該方法能夠有效降低搜索過程中的局部極值,并將其轉化為單峰函數,從而有效提升尋優速度與成功率。為了了解研究所設計的RTK系統的有效性,對比分析優化系統和傳統系統之間的適應度值差異,結果見圖5。

圖5 優化RTK系統與傳統系統的差異比較

由圖5可知,傳統RTK系統和優化RTK系統都可以搜索到全局最優解,但很明顯,優化RTK系統的收斂速度比傳統RTK系統的收斂速度要大,表明優化RTK系統的搜索效率比傳統RTK系統要高,驗證了優化RTK系統的有效性。

迭代前后定位散亂點的空間分布情況以及優化系統迭代訓練后的定位點分布變化見圖6。

圖6 定位點空間分布圖

圖6中,在優化RTK系統的一次解算試驗中,定位點較為分散。由圖6(a)可以看出,定位點分散在搜索空間的四面八方,經計算,其適應度值最大達到0.890 0。當迭代次數不斷增加時,所搜索到的定位點不斷增加,由圖6(b)可以發現,系統所需要的定位點逐漸減少。原因在于在搜索中的重復點增加,系統在幾次跳出局部最優解之后,從空間中獲取得到有效定位點的最大值。在此過程中,重復的定位點開始逐漸歸一化,進而確定最終的定位。結果表明,研究所提出的系統具有很好的優化特性,能達到快速、精確地定位目標。

2.2 GPS-RTK測量技術在水利水電工程斷面測量中的應用

在斷面測量領域,常用的勘測方法包括傳統勘測方法、GPS-RTK技術、免棱鏡全站儀技術。GPS-RTK測量技術在水利水電工程斷面測量中,采用不同的勘測方法和勘測工況。其中,特殊工況1為人員能夠到達,但實施測量的強度高;特殊工況2為人員無法到達,僅能采取目測方法;特殊工況3為人員無法到達,且無法目測的情況。3種不同特殊工況下的比較結果見表1。

由表1可知,采用GPS-RTK技術進行水利水電工程中的斷面測量,在測量人數、各種工況的適用范圍、測量時間和所帶設備的重量等方面都有顯著優點,極大地減少了作業人員,縮短了作業時間,降低了工作人員背負的重量,尤其適合在山區復雜地形條件下的水利水電工程橫斷面的測量。

表1 3種特殊工況下的斷面測量比較

與傳統水利工程中所得到的橫斷面數據相比,不同勘測方法得到的橫斷面數據差異較大。這主要是由于在測量橫截面時,所測的點有可能是不一樣的,如果用不同點的高程來對比,就會變得沒有任何意義。因此,在比較各組橫截面數據之間的誤差時,可以使用一種整體分析比較的方法,研究使用高差比較法來進行比較。該方法指的是將需要對比的測量方法獲得的橫截面地面線與標準地面線地形變化點之間的高差絕對值之和,得出的數值越小,則表示該方法測量橫截面的精度越高。

在河北石家莊滹沱河防洪綜合整治工程中,利用GPS-RTK測量技術進行地形測量。滹沱河屬于海河流域子牙河水系,承擔著重要的防洪任務。為了實現防洪達標,工程采取擴挖疏浚和整理措施。采用GPS-RTK方法進行高程測量,基準站采用1臺南方S82-2013進行架設,流動站同樣采用南方S82-2013。該系統的水準測量精度優于5cm,能夠滿足疏浚工程的施工及測量精度要求。選擇適宜的位置設立RTK基準站,然后使用RTK移動站分別在各控制點進行觀測與計算,結果見圖7。

圖7 水深探測數據波形圖

由圖7可知,在數據組10和14中出現了異常數據,需要進行手動矯正?？梢钥闯?GPS-RTK技術的測量精度較高,可以敏銳捕捉到數據的波動,并觀測異常數據,并且能夠很好地滿足高程測量的精度要求,能夠提高測量效率,為水利工程的設計和規劃提供可靠的數據支持。同時,由于GPS-RTK技術具有較高的移動性和便捷性,作業人員可以快速移動到不同的測量點進行橫斷面測量,節省大量的時間和人力成本。

3 結 論

鑒于水利工程中在測量精度方面有著較高要求,本文利用GPS對高程進行了擬合,利用RTK對小區域的高程進行了擬合。結果顯示,GPS-RTK系統正確率達到99%,傳統RTK系統的正確率達到94%,優化RTK系統的正確率超過傳統RTK系統;傳統勘測方法的人員攜帶儀器重量為10.9kg,免棱鏡全站儀技術的人員攜帶儀器重量為8.5kg,而GPS-RTK技術的人員攜帶儀器重量為7.2kg,低于傳統勘探法和免棱鏡全站儀技術的人員攜帶儀器重量,且優化RTK系統能夠很好地解決模糊問題。在實際的水深測量中,GPS-RTK技術的測量精度較高,可以敏銳捕捉到數據的波動,并觀測異常數。