GPS-RTK点校正方法的精度分析.pdf

第2 卷 第 1 期2 0 0 5 年 2 月，程 协 球 物 理 号 旅C HI NE S E J OUR NAL O F E NG I NE E R I NG GE OP HYS I C SVo l.2,N o.1F e b.，2 0 0 5文章编号:1 6 7 2-7 9 4 0(2 0 0 5)0 1-0 0 6 4-0 5G P S-R T K点校正方法的精度分析王晓华，胡友健2(1.中国地质大学研究生院，武汉4 3 0 0 7 4;2.中国地质大学测绘工程系，武汉4 3 0 0 7 4)摘要:采用载波相位实时动态差分技术进行相对定位的G P S-R T K方法，能够在野外实时地得到厘米级定位精度，将其用于工程放样、地形(籍)测图及某些控制测量，可以极大地提高作业效率。由于在实际测量工程中往往是采用地方(局部)坐标系统，而 G P S定位是直接得到点位在 WG S-8 4中的坐标和高程，故进行G P S-R T K测量时需要进行坐标转换或点位校正。本文对G P S-R T K的三种常规校正方法(单点校正，多点校正和参数校正)的精度进行试验研究，利用实测数据对其校正精度进行对比分析，并探讨影响校正精度的主要因素，得出了有实际意义的结论。关健词:G P S-R T K测量;单点校正;多点校正;参数校正;中图分类号:P 2 2 8.1文献标识码:精度分析 A收稿日期:2 0 0 4-1 0-1 1P RECI S I ON ANAL YS I S OF GP S-RT K P OI NT CORRECT MET HODSWA N G X i a o-h u a l，HU Y o u 一 i a n z(1.G r a d u a t e S c h o o l，C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s，Wu h a n2.F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s，4 3 0 0 7 4，C h i n aWu h a n 4 3 0 0 7 4，C h i n a)A b s t r a c t:P o s i t i o n i n g p r e c i s i o n o f mm l e v e l a n d h i g h e f f i c i e n c y c a n b e a c h i e v e d i n e n g i n e e r i n gl a y i n g o u t，t o p o g r a p h i c(p r o p e r t y)s u r v e y i n g u s i n g G P S R T K t e c h n o l o g y.D u e t o t h e f a c tt h a t l o c a l c o o r d i n a t e s y s t e m i s u s u a l l y u s e d i n p r a c t i c e a n d c o o r d i n a t e a n d e l e v a t i o n i n WG S一8 4 w h i c h a r e d i r e c t l y o b t a i n e d w h e n G P S t e c h n o l o g y i s u s e d t o d e t e r m i n e p o s i t i o n o fe a r t h s s u r f a c e p o i n t，c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n o r p o i n t c o r r e c t i s n e c e s s a r y i n G P S-R T Ks u r v e y i n g.A n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f t h e c o r r e c t p r e c i s i o n o f t h r e e t r a d i t i o n a l c o r r e c tm e t h o d s(p o i n t c o r r e c t，mu l t i p l e p o i n t s c o r r e c t a n d p a r a m e t e r c o r r e c t)i s c a r r i e d o u t i n t h i sp a p e r.B a s e d o n t h e p r a c t i c a l d a t a o f o b s e r v a t i o n,t h e c o r r e c t p r e c i s i o n o f t h r e e t r a d i t i o n a lc o r r e c t me t h o d s i s c o n t r a s t e d a n d a n a l y z e d a n d t h e c o n t r i b u t i n g f a c t o r s o f e f f e c t o n c o r r e c tp r e c i s i o n a r e p r o b e d i n t o.S o m e u s e f u l c o n c l u s i o n s a r e d r a w n.K e y w o r d s:G P S-R T K;p o i n t c o r r e c t;mu l t i p l e p o i n t s c o r r e c t;p a r a m e t e r c o r r e c t;p r e c i s i o na n a l y s i s作者简介:王晓华(1 9 8 1-)，女，河南永城人，2 0 0 3 级中国地质大学大地测量与测量工程硕士，研究方向为 G P S技术的工程应用，E-ma i l;h u a x i a o w a n g)1 2 6.c o m.第 1 期王晓华等:G P S-R T K点校正方法的精度分析1 引言 常规的G P S 测量方法，如静态测量、快速静态测量、动态测量等，都需要事后进行解算才能获得厘米级的定位精度 ，而 G P S-R T K(R e a l-T im e K i n e m a t i c)方法由于采用了载波相位动态实时差分技术，能够在野外实时得到厘米级定位精度。在G P S-R T K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。流动站通过数据链接收来自基准站的数据，同时采集G P S 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理给出定位结果，历时不到一秒钟。因此，G P S-R T K方法的应用，极大地提高了工程放样、地形(籍)测图及某些控制测量的作业效 率 2.3。由于在实际测量工程中往往是采用地方(局部)坐标系统，而 G P S定位是直接得到点位在WG S-8 4 中的坐标和高程 4 ，故进行 G P S-R T K测量时需要进行坐标转换或点位校正。本文对G P S-R T K的三种常规校正方法(单点校正，多点校正和参数校正)的精度进行试验研究，利用实测数据对其校正精度进行对比分析，并探讨影响校正精度的主要因素。2 G P S-R T K点校正理论及实 验数据采集2.1 G P S-R T K点校正理论 G P S点校正是建立 G P S接收机采集的WG S-8 4 数据与地方控制位置之间的关系(表达为海平面上的地方地图格网)，采用一系列的数学转换定义此关系。G P S点校正功能允许进行G P S和校正所用地方控制点的匹配(G P S坐标必须从G P S 点和观测值得到，格网点必须从格网点和地面观测值得到)。本次实验采用 T r i m b l eG e o m a t i c s O f f i c e 软件进行计算，按最小二乘法进行数学转换，并可在任何时间进行重新校正。将 WG S-8 4 位置转换到格网坐标的数学转换是 s 7:1)基准转换:即从 WG S-8 4纬度、经度和椭球高度坐标转换到相对于地方测图格网椭球的纬度、经度和椭球高度坐标;2)地图投影:是从地方椭球纬度和经度坐标转换到地方测图格网的北向和东向坐标(此过程中高度值改变)到 WG S-8 4高度的大地水准面模型，得到海水面上的近似高程。进行转换后的格网坐标的平面平差，以符合地方控制数据。将地方椭球高或由大地水准面得到的高程转换为地方海水面控制高程的高度平差。数据库中的所有G P S 点都用校正参数更新，产生更精确的地方格网坐标值。将新的坐标系统定义(包括校正参数)保存为一个站点，供同一地区今后项目使用，确定项目区域被校正中使用的点封闭起来。本次实验中使用T r i m b l e S u r v e y C o n t r o l l e r软件中的“此处启动”键启动实时动态(R T K)基准站，并将 S u r v e y C o n t r o l l e r(.d o)文件传送到T r i mb l e G e o m a t i c s O f f i c e 软件中。如果工程的坐标系统定义使用大地水准面模型获得点高程，则高程直接由内插到大地水准面模型格网的WG S-8 4 高度确定。但是，也可以将高度平差应用到大地水准面模型产生的高程顶端，允许大规模大地水准面模型不能考虑到的小型局部变化，在本实验中我们使用的是大地水准面模型。G P S向量的精度(实时或事后)受基准站坐标精度的影响。基准站坐标每 l o m的误差产生的向 量精度误差可达百万分之一(1 P P m)s 7。例如，当基本 WG S-8 4 参考点误差为 l o o m、基线长为 2 k m时，产生的G P S向量误差可大到2 m m,本次实验所用的硬件设备主要是基准站和流动站接收机，其中基准站由三脚架，4 7 0 0 的G P S天线和基座、4 7 0 0 G P S接收主机、无线电发射电台、电台天线、4 7 0 0 测量手簿、连接电缆以及各个仪器的供电系统组成;流动站由4 7 0 0 G P S 天线和流动站对中杆、G P S接收机、接收电台、电台天线、测量手簿、连接电缆等组成。数据处理采用的软件系统是与 T r i m b l e 4 7 0 0 相配套的G P S数据处理软件(T G O 1.5).2.2 点校正实验数据采集 本次G P S-R T K点校正实验是在河南理工大学的老校区进行的，图 1 所示为采集实验数据的试验网。网中的 1 0 2 点、地质楼点属于国家四等控制点，图书馆点属于国家三等控 制点，1 1 0,1 0 1,1 0 2 点属于校内控制点。2,3,4 三个点的点间距在几十米左右，其坐标和高程可以精确测定。上述各点的平面坐标均为北京5 4 坐标，除1 0 2 点、图书馆点、地质楼点高程未知工 程 地 球 物 理 学 报(C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s)第 2 卷正方法的高程校正精度要大大低于平面坐标的校正精度，而两个平面坐标方向的校正精度也很不均匀，北坐标的校正精度要大大低于东坐标的校正精度。3.2 多点校正 实验中将基准站放在 3 号点上，2,4点作为控制点，1 1 0,1 0 1,1 0 5 点为检校点。2,1 1 0,1 0 1 点的WG S-8 4 坐标已知。通过多点校正后，2,4,1 1 0,1 0 1,1 0 5 点的实验值与已知北京5 4 坐标、高程的比较结果如表 2 0 图 1 控制区域及 R T K测量点位缩略图F i g.1 D i a g r a m m a t i c s k e t c h o f c o n t r o l a r e a a n d表 2 多点校正后各点的坐标和高程与已知坐标和高程差R T K s u r v e y i n g p o i n tTa b l e 2 Di f f e r e n c e s o f c o o r d i n a t e a n d e l e v a t i o n外，其余点的坐标和高程值均已知。基准站设在试验区内地势较高、视野开阔且坐标已知的点上。实验时选择 3号点架设基准站。基准站天线安置在三脚架上。b e t w e e n t h e r e s u l t s o f m u l t i p l e p o i n t s c o r r e c t a n d t h e c o r r e s p o n d i n g k n o w n v a l u e s点号4 1 0 1 1 0 5 1 1 0北坐标差/m东坐标差/m高程差/m0 2 102 60.0 0 3 0.0 7 5 0.0 5 7 0.0 3 60.0 2 7 0.0 0 3 0.0 3 0 0.0 0 9 0.0 1 93 三种校正方法的坐标和高程 的对比分析0.1 4 8 0.1 6 0 0.4 0 3 0.0 6 6 0.0 7 7 0.1 7 13.1 单点校正 实验中将基准站放在 3 号点上，流动站为 2,4,1 1 0,I O 1,I 0 5 点。2,4,1 1 0,1 0 1,1 0 5 点的WG S-8 4 坐标已知，通过校正，可计算出 2,4,1 1 0,1 0 1,1 0 5 的北京5 4 坐标。通过单点校正后，各点的坐标值与已知北京 5 4 坐标、高程的比较结果如表1,表 1 单点校正后各点的坐标和高程与 已知坐标和高程的差Ta b l e 1 Di f f e r e n c e s o f c o o r d i n a t e a n d e l e v a t i o n b e t w e e n t h e r e s u l t s o f p o i n t c o r r e c t a n d t h e c o r r e s p o n d i n g k n o w n v a l u e s点号2 4 1 0 1 1 0 5 1 1 0北坐标差/m东坐标差/m 高程差/m0.0 1 7 0.0 0 3 0.0 7 9 0.0 5 8 0.0 3 40.0 3 2 0.0 2 8 0.0 0 3 0.0 3 0 0.0 0 5 0.0 2 00.1 4 3 0.1 6 3 0.0 6 4 0.4 0 6 0.0 7 2 0.1 7 0 由表 1 可知:北坐标最大差值和平均差值分别为7.9 c m和3.8 c m;东坐标最大差值和平均差值分别为3.2 c m和2.O c m;高程最大差值和平均差值分别为 4 0.6 c m和 1 7.O c m。这说明，单点校 由表2 可知:北坐标最大差值和平均差值分别为7.5 c m和3.8 c m;东坐标最大差值和平均差值分别为3.O c m和 1.9 c m;高程最大差值和平均差值分别为 4 0.3 c m和 1 7.l c m。将多点校正结果与单点校正结果比较可知，前者比后者的平面坐标和高程校正精度均有所提高。但多点校正方法的高程校正精度也大大低于平面坐标的校正精度，两个平面坐标方向的校正精度仍不均匀，北坐标的校正精度要大大低于东坐标的校正精度。3.3 参数校正 实验中，1 0 2 点、3 点、图书馆点、地质楼点组成一个控制网。先通过 T G O软件解算出用于本控制网点校正的7 个参数，应用解算出的 7 参数对控制网中2,1 1 0,1 0 1,1 0 5 点进行校正，并将这 5个点的参数校正后的坐标与原来的5 4 坐标进行比较。通过参数校正后，2,4,1 1 0,1 0 1,1 0 5 点的实验值与已知北京 5 4 坐标、高程相比结果如表3 0 由表3 可知:北坐标最大差值和平均差值分别为7.9 c m和2.9 c m;东坐标最大差值和平均差值分别为3.2 c m和2.4 c m;高程最大差值和平均差值分别为 3 2.9 c m和 1 7.8 c m。将参数校正结果与单点校正和多点校正结果比较可知，前者比第 1 期王晓华等:G P S-R T K点校正方法的精度分析表3 参数校正后各点的坐标和Ta b l e 3 b e t we e n高程与已知的坐标和高程差D i f f e r e n c e s o f c o o r d i n a t e a n d e l e v a t i o nt h e r e s u l t s o f p a r a me t e r c o r r e c t a n dt h e c o r r e s p o n d i n g k n o w n v a l u e s点号4 1 0 1 1 0 5北坐标差/m东坐标差/m 高程差/m0.0 2 0 0.0 0 1 0.0 7 9 0.0 2 5 0.0 4 10.0 3 2 0.0 2 9 0.0 2 1 0.0 1 4 0.0 2 7 0.0 2 40.1 6 2 0.1 3 8 0.1 4 1 0.3 2 9 0.1 1 9 0.1 7 8一 刊 卜-单 点 校 正-一 多 点 校 正参 数 校 正，:、尹 nUn64日日、咬V2 4 1 0 1 1 0 5 I t o 点号(a)三种校正方法的北坐标差比较(a)C o mp a r i s o n o f n o r t h c o o r d i n a t ed i f f e r e n c e o f t h r e e c o r r e c t me t h o d s后两者的北坐标的平均校正精度有显著提高(平均坐标偏差减少 9 mm)，从而使两个平面坐标方向的校正精度变得比较均匀。另外，参数校正的高程精度明显提高(从单点校正和多点校正约4 d m的高程最大差值减少到约 3 d m)。因此，从总体上看，参数校正方法的坐标和高程精度要优于单点校正和多点校正。图2 直观地反映了参数校正、单点校正和多点校正所得坐标和高程的精度的差别。从图可以很清楚地看出，经过参数校正的坐标和高程的精度相对较高且其精度较均匀，多点校正的精度及其均匀性次之，单点校正的精度及其均匀性均较差。主要原因是单点校正过程中仅考虑平移的3个参数，不考虑旋转参数及比例因子，而参数校正是通过7 个参数进行，其效果是所有点都进行了校正，有其整体性，所以其校正的效果较好。另外，在单点校正过程中，离基准站距离较近的点(如点2,4)，其校正结果与已知值的差值较小。随着校正点离基准站的距离增大，校正结果与已知值的差值也越大。4 结论 本文通过对 G P S-R T K的三种常规校正方法(单点校正、多点校正、参数校正)的对比分析，可提出如下几点看法，供实际工作参考。1)参数校正的坐标和高程的精度相对较高且其精度较均匀，多点校正的精度及其均匀性次之，单点校正的精度及其均匀性均较差。单点校正精度低的主要原因是在校正过程中仅考虑平移的 3个参数，不考虑旋转参数及比例因子。2)在单点校正过程中，检校点离基准站距离较近时，检校结果(坐标和高程)与其已知值的差值较小。随着检校点离基准站距离拉大，检校结果与已知值的差值较大。3)由于参数校正方法的基础是测区控制网，测区控制网的布设一般覆盖整个测区，因此，该校正方法具有很好的整体性，其校正精度优于单点校正和多点校正方法。4)三种常规校正方法的平面坐标校正精度相对较高，而高程的校正精度较低。根据本次实验结果，平面坐标的校正精度将近厘米级，高程的校正精度为分米级。日日、咬劝2 41 01 1 0 5I t o点号 (b)三种校正方法的东坐标差的比较(b)C o m p a r i s o n o f e a s t c o o r d i n a t e d i f f e r e n c e s o f t h r e e c o r r e c t me t h o d s000八Unn“00八U叹曰011nU咤0114rJI，11 任日、魂V2 4 1 0 1 1 0 5 I 1 0 点号 (c)三种校正方法校正后高程差比较 (c)C o m p a r i s o n o f e l e v a t i o n d i f f e r e n c e s o f t h r e e c o r r e c t me t h o d s图2 三种校正方法的坐标和高程差(m m)的比较F i g.2 C o m p a r i s o n o f C o o r d i n a t e a n d e l e v a t i o n d i f f e r e n c e s(mm)o f t h r e e c o r r e c t me t h o d s6 8工 程 地 球 物 理 学 报(C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s)第 2 卷参考文献:1 胡友健，罗云，曾云.全球定位系统 G P S原理与应用 M.武汉:中国地质大学出版社，2 0 0 3.2 王国祥，梅熙.G P S R K T技术在工程测量中的应用 J ，四川测绘，2 0 0 1,2 4(4):1 6 6-1 6 7.3 李延兴.G P S技术研究新进展 M.天津:天津科学 技术出版社，1 9 9 6.4 张勤.李家权.全球定位系统测量原理及数据处理基 础仁 M.西安:西安地图出版社，2 0 0 1.5 杨馄，孙艳军，田春和，等.G P S R T K技术在赵东区 块初期工程中的应用 J .水道港口，2 0 0 3,2 4(2):9 0 一 9 1.广-一-一一一一一一一一一一一一一-一一-一 介一 一一一一一介一“一“一 一一 一“一 一I.甲宝.，盖.“，丫.，工.，工.，玉.甲工目目，孟.盖.目了工.甲工.曰甲工.“甲盖目.，王.“.念自.丫盖目欢迎订阅 工程地球物理学报.，笠.，二.甲了.曰，丫.丫工.州了盖.，孟.甲.孟石.曰，盖.“.几盖.甲工.目甲目曰，盖.，工.?孟.甲玉.孟.甲工.甲盖.，工.自 工程地球物理学报 是由长江勘测规划设计研究院和中国地质大学(武汉)联合主办的面向国内外公开发行的工程、环境地球物理类学术期刊。本刊是工程、环境、资源地球物理勘探理论、方法、技术学术研究成果的重要交流和展示窗口及前沿学术问题讨论的平台。本刊主要面向国内外地球物理及相关学科的教学、研究和生产人员。本刊为双月刊，大1 6 开本，每册定价1 0.0 0 元，全年共6 期，全年定价6 0.0 0 元。欢迎仃阅。本刊国际标准刊号:I S S N 1 6 7 2-7 9 4 0，国内统一+f l 号:C N 4 2-1 6 9 4/T V.联系地址:湖北省武汉市洪山区鲁磨路 3 8 8号中国地质大学校内 工程地球物理学报 编辑部 邮编:4 3 0 0 7 4 电话:[phone] E-ma i l:c j e g c u g.e d u.c n.，盆月.，玉.里x.贾丫.贾至.，r.贾工.，盆润11.了1.，r.，工.，工.，1.，x.甲工.，孟.甲工.，孟.rl.蟹丙.苦.空.甲盖目“甲孟.人盆.翻甲人.甲玉目.甲工.甲丫.几1.甲盆.目了再开 户 名:中国地质大学(武汉)资金结算中心账号:3 2 0 2 0 0 6 8 0 9 0 0 0 0 8 5 7 5 7-2 9开户银行:武汉市工商银行关山办事处L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _，_，、二，二，二，二，二，二，.，_ _，二，二，二，二，.，二，二，二，二，二，二，_二，二，_，_二，二，二，二，二，_，二 J