RTK定位系统中GPS测量技术在水利水电工程测量中的应用研究

贾秀芳

(河北省石家庄水文勘测研究中心,石家庄 050000)

0 引 言

水利水电工程测量是指在水利水电工程建设中,通过使用测量技术和仪器设备,对工程地形、水文水资源、水力特性等进行精确测量和分析的过程[1]。水利水电工程测量涉及工程设计、施工、监测和运维等各个阶段[2]。在水利水电工程测量中,常用的测量方法和技术包括全站仪测量、水准测量、GPS定位、遥感技术、雷达测量等[3]。

而实时动态(Real-time Kinematic, RTK)属于一种以载波相位观测值为基础,进行实时动态相对定位的技术。在观测定位过程中,RTK具有厘米级精度,作为一种新型卫星定位测量方法,受到水利水电工程测量的青睐[4-5]。但在工程实践中,因其具有自成体系、界面协议未公开、体积庞大、价格昂贵等特点,不适于用于小规模目标探测,也不能与分机集为一体来实现多源信息的同步探测。

因此,本文以GPS技术为基础,设计一套适合进行水利水电工程测量的RTK定位系统,以期实现水利水电工程的精确、快速测量。

1 面向水利水电工程测量的GPS测量优化

1.1 基于M8P的RTK系统设计及位置定位

RTK系统的组成包括基站和移动站,两者配置无显著差异,最大的区别在于其安装方式和流程,因此通常以安装方式来对其进行区分[6]。在GNSS系统中,由于各类误差的存在,导致系统的整体误差,进而影响系统的定位精度。RTK定位系统是一种差分GPS定位系统,其差分原理是利用接收机观测到的数据进行计算,从而产生一套全新的、不依赖于观测者测量结果的测站坐标系。由于GNSS系统中存在着众多相互联系但又独立运行的卫星、基站和接收机等设备,因此产生了大量基于各种仪器设备上所形成的误差。由于卫星存在一定的时空相关性,所以不同接收器在同一区域所测量得到的误差也存在一定相关性,其中部分接收器的误差分量还会出现完全一致的现象[7-8]。其原理图见图1。

图1 RTK系统

由图1可知,在RTK系统中,各基站会将自己的坐标信息与卫星共享,同时接收卫星数据,最后基站会将接收到的卫星数据和基站坐标信息进行打包,同时传输到移动站。此时,移动站将会采用差分处理的方式,处理基站信息和卫星数据,并计算移动站的坐标信息,同时将其同步到基站,实现移动站的定位。在GNSS技术中,各种误差会引起总体误差,从而对定位精度产生影响[9]。误差因素包括卫星时钟、卫星轨道、光速、信号形成时间误差测量、多路径、卫星几何形状[10-11]。其中,卫星星历导致的误差是以内在空间运行时,轨道会受到来自各方向的因素打扰,而导致卫星的轨道复杂化与无序运行。卫星轨道造成的基线误差值以公式表示如下:

式中:ΔY为卫星轨道的误差值;Δy为卫星轨道造成的基线误差;l为基线长度;ΔY(m)为卫星轨道的误差最大。

因此,在短基线RTK定位中,双差定位模式对短基线RTK定位具有很好的抑制作用。全球导航卫星系统是一种将卫星与无线通信技术相结合的新型导航系统,它向接收端发送无线信号,并通过该信号推算出接收端的精确位置。GNSS卫星对接收端的空间位置进行测量,其最基本的观测数据为载波相位观和伪距观测量。伪距观测值的表达式如下:

ρ=c·(ti-tk)

(2)

式中:tk为发出信号的时刻;ti为接收到信号的时刻;ρ为伪距观测值;c为卫星与用户的几何距离。

载波相位测量就是接收端发射的载波相位和接收端发射的信号之间的差异,而载波相位的改变本身就蕴含了距离信息,若能测量载波相位,则可推导出接收端到卫星之间的距离(相位改变×波长=距离)。接收机在测量中所得到的载波相位不完整,因此在测量记录时,每个相位的观测值便会被处理成一个模糊值,即表现出全周模糊性。载波相的第一个观测为一周以内的十进制相,而不能观察到一周模糊。在此基础上,通过4颗卫星的联合观测,可以获得厘米级的精度。不同于伪距观测量,载波相位观测量精度较高,其所适用范围也越广。

为此,RTK系统选择载波相位观测量,其难点是如何确定模糊度的定解。在系统设计中,将探测控制主机设定为基站,每个探测机都设定为移动台,NEO-M8P-0作为移动台电路部件,NEO-M8P-2用作基站电路部件,基站电路部件利用通讯链表向移动台传送 RTCM协议格式的数据,并由移动台的算法对数据进行处理,以厘米级的精度输出位置数据。

1.2 GPS-RTK测量技术在水利水电工程测量中的应用研究

在水利水电工程测量中,高程测量是一项比较基本的工作。在水利水电工程高程测量中,利用GPS测量技术,可以通过对卫星信号的分析,得到大地高程,并与水准仪等仪器相结合,计算出高程的差值,从而确定测量点的高程[12]。在得到相关数据后,要对其进行分析处理,对所得到的实际数据,按照实际要求进行筛选、分类,将不需要的信息排除掉,然后进行平差计算,确定相同基线边的同步观测值和平差结果,保证计算的精度。之后要对得到的GPS网与坐标系统进行高效变换,得到所需的数据信息。

RTK实时动态测量技术主要依靠载波相位观测来实现动态监测,它是测量技术发展进程中的一个里程碑,它的出现和应用有着非常重要的意义。全球定位系统(GPS)是世界上首个可完全运行的全球导航卫星(GNSS)系统,既可用于民用,也可用于军用[13]。GPS系统结构见图2。

由图2可知,该系统由3个部分组成,即空间部、用户部和地面控制部。太空区段包括全部正在运转的卫星;地面控制部分为整个地面站,包括主控站、监控站、地面控制站;用户是指全部民用及军事用户[14]。为了提高现场工作效率,提高现场勘察质量,必须做好相关的前期准备工作。除了对设备进行定期检查之外,对纵、横剖面的测量也要尽量采用GPS-RTK技术。GPS-RTK技术的定位原理见图3。

图2 GPS系统结构

图3 GPS-RTK技术的定位原理

由图3可知,GPS-RTK系统包括基准站、流动站两部分。基准站是指在高程、高海拔的已知参考点上,利用GPS卫星对其进行跟踪观测,并将参考站的位置、高程等信息实时传送给流动站。RTK-GPS测量系统的工作效率与定位精度均高于其他系统,同时受气候、季节、能见度等因素的影响甚少,且操作简单。

在水利水电项目中,经常需要进行横、纵剖面测绘,对土方的数量进行精确估算,从而为编制施工预算和施工计划提供参考。在断面测绘中,采用GPS-RTK技术,使施工人员能及时提供渠道的纵、横断面信息,精确设定渠基至中线的间距,从而为工程的标准化和合理化操作创造条件。

GPS-RTK技术应用在水利水电工程中,采用“同步图形扩展式”和“异步闭合环”两种方法进行布设。但采用“异步闭合环”法时,运行过程较为繁琐,并且容易受外部因素的影响。因此,要保证精度,必须对基准站进行合理布设。数据采集与处理见图4。

图4 GPS-RTK技术的数据采集与处理

由图4可知,GPS-RTK技术在测绘应用的数据采集中,首先将基准站的数据运输至流动站,并对其进行质量检测;对经过质量检测的数据进行精度分析与处理。GPS-RTK技术一般在实际测绘工作中,必须对测区的实际状况有充分的认识与把握,并据此进行合理布设,以保证后续测绘工作的顺利开展;应严格遵守有关规程、规范,合理布设测网,确保测网合理。通过对GPS-RTK布设情况的分析,确定GPS-RTK的布设水平,并对其进行合理的布设,从而提高RTK的精度和工作效率。

2 RTK系统性能分析与水利水电工程测量应用

2.1 RTK系统的性能分析与对比

在搜索模糊度固定解之前,采用降相关方法,将模糊度浮点解与协方差阵进行降相关,以减少之间的相关性,然后再寻找一种固定的模糊度解集。该方法能够有效降低搜索过程中的局部极值,并将其转化为单峰函数,从而有效提升寻优速度与成功率。为了了解研究所设计的RTK系统的有效性,对比分析优化系统和传统系统之间的适应度值差异,结果见图5。

图5 优化RTK系统与传统系统的差异比较

由图5可知,传统RTK系统和优化RTK系统都可以搜索到全局最优解,但很明显,优化RTK系统的收敛速度比传统RTK系统的收敛速度要大,表明优化RTK系统的搜索效率比传统RTK系统要高,验证了优化RTK系统的有效性。

迭代前后定位散乱点的空间分布情况以及优化系统迭代训练后的定位点分布变化见图6。

图6 定位点空间分布图

图6中,在优化RTK系统的一次解算试验中,定位点较为分散。由图6(a)可以看出,定位点分散在搜索空间的四面八方,经计算,其适应度值最大达到0.890 0。当迭代次数不断增加时,所搜索到的定位点不断增加,由图6(b)可以发现,系统所需要的定位点逐渐减少。原因在于在搜索中的重复点增加,系统在几次跳出局部最优解之后,从空间中获取得到有效定位点的最大值。在此过程中,重复的定位点开始逐渐归一化,进而确定最终的定位。结果表明,研究所提出的系统具有很好的优化特性,能达到快速、精确地定位目标。

2.2 GPS-RTK测量技术在水利水电工程断面测量中的应用

在断面测量领域,常用的勘测方法包括传统勘测方法、GPS-RTK技术、免棱镜全站仪技术。GPS-RTK测量技术在水利水电工程断面测量中,采用不同的勘测方法和勘测工况。其中,特殊工况1为人员能够到达,但实施测量的强度高;特殊工况2为人员无法到达,仅能采取目测方法;特殊工况3为人员无法到达,且无法目测的情况。3种不同特殊工况下的比较结果见表1。

由表1可知,采用GPS-RTK技术进行水利水电工程中的断面测量,在测量人数、各种工况的适用范围、测量时间和所带设备的重量等方面都有显著优点,极大地减少了作业人员,缩短了作业时间,降低了工作人员背负的重量,尤其适合在山区复杂地形条件下的水利水电工程横断面的测量。

表1 3种特殊工况下的断面测量比较

与传统水利工程中所得到的横断面数据相比,不同勘测方法得到的横断面数据差异较大。这主要是由于在测量横截面时,所测的点有可能是不一样的,如果用不同点的高程来对比,就会变得没有任何意义。因此,在比较各组横截面数据之间的误差时,可以使用一种整体分析比较的方法,研究使用高差比较法来进行比较。该方法指的是将需要对比的测量方法获得的横截面地面线与标准地面线地形变化点之间的高差绝对值之和,得出的数值越小,则表示该方法测量横截面的精度越高。

在河北石家庄滹沱河防洪综合整治工程中,利用GPS-RTK测量技术进行地形测量。滹沱河属于海河流域子牙河水系,承担着重要的防洪任务。为了实现防洪达标,工程采取扩挖疏浚和整理措施。采用GPS-RTK方法进行高程测量,基准站采用1台南方S82-2013进行架设,流动站同样采用南方S82-2013。该系统的水准测量精度优于5cm,能够满足疏浚工程的施工及测量精度要求。选择适宜的位置设立RTK基准站,然后使用RTK移动站分别在各控制点进行观测与计算,结果见图7。

图7 水深探测数据波形图

由图7可知,在数据组10和14中出现了异常数据,需要进行手动矫正。可以看出,GPS-RTK技术的测量精度较高,可以敏锐捕捉到数据的波动,并观测异常数据,并且能够很好地满足高程测量的精度要求,能够提高测量效率,为水利工程的设计和规划提供可靠的数据支持。同时,由于GPS-RTK技术具有较高的移动性和便捷性,作业人员可以快速移动到不同的测量点进行横断面测量,节省大量的时间和人力成本。

3 结 论

鉴于水利工程中在测量精度方面有着较高要求,本文利用GPS对高程进行了拟合,利用RTK对小区域的高程进行了拟合。结果显示,GPS-RTK系统正确率达到99%,传统RTK系统的正确率达到94%,优化RTK系统的正确率超过传统RTK系统;传统勘测方法的人员携带仪器重量为10.9kg,免棱镜全站仪技术的人员携带仪器重量为8.5kg,而GPS-RTK技术的人员携带仪器重量为7.2kg,低于传统勘探法和免棱镜全站仪技术的人员携带仪器重量,且优化RTK系统能够很好地解决模糊问题。在实际的水深测量中,GPS-RTK技术的测量精度较高,可以敏锐捕捉到数据的波动,并观测异常数。