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RTK靜態(tài)控制測量原理方法
RTK技術的關鍵在于使用了GPS的載波相位觀測量，并利用了參考站和移動站之間觀測誤差的空間相關性，通過差分的方式除去移動站觀測數(shù)據(jù)中的大部分誤差，從而實現(xiàn)高精度(分米甚至厘米級)的定位。那么，下面是小編為大家整理的RTK靜態(tài)控制測量原理方法，歡迎大家閱讀瀏覽。
一、RTK靜態(tài)控制測量的原理
RTK是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的厘米級精度的三維定位結果。RTK測量系統(tǒng)通常由三部分組成，即GPS信號接收部分(GPS接收機及天線)、實時數(shù)據(jù)傳輸部分(數(shù)據(jù)鏈，俗稱電臺)和實時數(shù)據(jù)處理部分(GPS控制器及其隨機實時數(shù)據(jù)處理軟件)。
RTK測量是根據(jù)GPS的相對定位理論，將一臺接收機設置在已知點上(基準站)，另一臺或幾臺接收機放在待測點上(移動站)，同步采集相同衛(wèi)星的信號。基準站在接收GPS信號并進行載波相位測量的同時，通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和測站坐標信息一起傳送給移動站;移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，然后利用GPS控制器內置的隨機實時數(shù)據(jù)處理軟件與本機采集的GPS觀測數(shù)據(jù)組成差分觀測值進行實時處理，實時給出待測點的坐標、高程及實測精度，并將實測精度與預設精度指標進行比較，一旦實測精度符合要求，手簿將提示測量人員記錄該點的三維坐標及其精度。作業(yè)時，移動站可處于靜止狀態(tài)，也可處于運動狀態(tài);可在已知點上先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持4顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則移動站可隨時給出待測點的厘米級的三維坐標。
二、RTK靜態(tài)控制測量的使用方法
控制點的布設
為了達到GPS測量高精度、高效益的目的，減少不必要的耗費，在測量中遵循這樣的原則：在保證質量的前提下,盡可能地提高效率、降低成本。所以對GPS測量各階段的工作，都要精心設計，精心組織和實施。建議用戶在測量實施前，對整個GPS測量工作進行合理的總體設計。
總體設計，是指對GPS網(wǎng)進行優(yōu)化設計，主要是：確定精度指標，網(wǎng)的圖形設計，網(wǎng)中基線邊長度的確定及 網(wǎng)的基準設計。在設計中用戶可以參照有關規(guī)范靈活地處理，下面將結合國內現(xiàn)有的一些資料對GPS測量的總體設計簡單地介紹一下。
1、確定精度標準
在GPS網(wǎng)總體設計中，精度指標是比較重要的參數(shù)，它的數(shù)值將直接影響GPS網(wǎng)的布設方案、觀測數(shù)據(jù)的處理以及作業(yè)的時間和經(jīng)費。在實際設計工作中，用戶可根據(jù)所作控制的實際需要和可能，合理地制定。既不能制定過低而影響網(wǎng)的精度，也不必要盲目追求過高的精度造成不必要的支出。
2、選點
選點即觀測站位置的選擇。在GPS測量中并不要求觀測站之間相互通視，網(wǎng)的圖形選擇也比較靈活，因此選點比經(jīng)典控制測量簡便得多。但為了保證觀測工作的順利進行和可靠地保持測量結果，用戶注意使觀測站位置具有以下的條件：
① 確保GPS接收機上方的天空開闊 GPS測量主要利用接收機所接收到的衛(wèi)星信號，而且接收機上空越開闊，則觀測到的衛(wèi)星數(shù)目越多。一般應該保證接收機所在平面15°以上的范圍內沒有建筑物或者大樹的遮擋。
�、� 周圍沒有反射面，如大面積的水域，或對電磁波反射(或吸收)強烈的物體(如玻璃墻，樹木等)，不致引起多路徑效應。
③ 遠離強電磁場的干擾。
GPS接收機接收衛(wèi)星廣播的微波信號，微波信號都會受到電磁場的影響而產(chǎn)生噪聲，降低信噪比，影響觀測成果。所以GPS控制點最好離開高壓線、微波站或者產(chǎn)生強電磁干擾的場所。鄰近不應有強電磁輻射源，如無線電臺、電視發(fā)射天線、高壓輸電線等，以免干擾GPS衛(wèi)星信號。通常，在測站周圍約 200m 的范圍內不能有大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、電臺、微波站等);在 50m 內不能有高壓輸電線和微波無線電信號傳遞通道。 ④ 觀測站最好選在交通便利的地方以利于其它測量手段聯(lián)測和擴展;
�、� 地面基礎穩(wěn)固，易于點的保存。
注意：用戶如果在樹木、覘標等對電磁波傳播影響較大的物體下設觀測站，當接收機工作時，接收的衛(wèi)星信號將產(chǎn)生畸變，這樣即使采集時各項指標，如觀測衛(wèi)星數(shù)、DOP值等都較好，但觀測數(shù)據(jù)質量很差。
建議用戶可根據(jù)需要在GPS點大約 300 米附近建立與其通視的方位點，以便在必要時采用常規(guī)經(jīng)典的測量方法進行聯(lián)測。
在點位選好后，在對點位進行編號時必須注意點位編號的合理性，在野外采集時輸入的觀測站名由四個任意輸入的字符組成，為了在測后處理時方便及準確，必須不使點號重復。建議用戶在編號時盡量采用阿拉伯數(shù)字按順序編號。
3、基線長度
GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號量測可達毫米級的精度。但是，由于衛(wèi)星信號在大氣傳播時不可避免地受到大氣層中電離層及對流層的擾動，導致觀測精度的降低。因此在使用GPS接收機測量時，通常采用差分的形式，用兩臺接收機來對一條基線進行同步觀測。在同步觀測同一組衛(wèi)星時，大氣層對觀測的影響大部分都被抵消了。基線越短，抵消的程度越顯著，因為這時衛(wèi)星信號通過大氣層到達兩臺接收機的路徑幾乎相同。
同時，當基線越長時，起算點的精度對基線的精度的影響也越大。起算點的精度常常影響基線的正常求解。
因此，建議用戶在設計基線邊時，應兼顧基線邊的長度。通常，對于單頻接收機而言，基線邊應以20公里范圍以內為宜。基線邊過長，一方面觀測時間勢必增加，另一方面由于距離增大而導致電離層的影響有所增強。
4、提高GPS網(wǎng)可靠性的方法
可以通過下面的一些方法提高GPS網(wǎng)的可靠性：
1、增加獨立基線數(shù)
在布設GPS 網(wǎng)時，適當增加觀測時段數(shù)，對于提高GPS 網(wǎng)的可靠性非常有效。因為隨著觀測時段數(shù)的增加，所測得的獨立基線數(shù)就會增加，而獨立基線數(shù)的增加對網(wǎng)的可靠性的提高是非常有效的。
2、保證一定的重復設站次數(shù)
保證一定的重復設站次數(shù)，可確保GPS 網(wǎng)的可靠性。一方面，通過在同一測站上的多次觀測，可有效地發(fā)現(xiàn)設站、對中、整平、量測天線高等人為錯誤;另一方面，重復設站次數(shù)的增加，也意味著觀測期數(shù)的增加。不過需要注意的是，當同一臺接收機在同一測站上連續(xù)進行多個時段的觀測時，各個時段間必須重新安置儀器，以更好地消除各種人為操作誤差和錯誤。
3、保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連。
保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連，這樣可以使得測站具有較高的可靠性，在布設GPS 網(wǎng)時，各個點的可靠性與點位無直接關系，而與該點上所連接的基線數(shù)有關，點上所連接的基線數(shù)越多點的可靠性則越高。
4、在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6 條
在布設GPS 網(wǎng)時，檢查GPS 觀測值基線向量質量的最佳方法是異步環(huán)閉合差。而隨著組成異步環(huán)的基線向量數(shù)的增加，其檢驗質量的能力將逐漸下降，因此，要控制最小異步環(huán)的邊數(shù)。
所謂最小異步閉合環(huán)，即構成閉合環(huán)的基線邊是異步的，且邊數(shù)又是最少的。
5、提高GPS網(wǎng)精度的方法
可以通過下列方法提高GPS網(wǎng)的精度：
為保證GPS 網(wǎng)中各相鄰點具有較高的相對精度，對網(wǎng)中距離較近的點一定要進行同步觀測，以獲得它們間的直接觀測基線;
為提高整個GPS 網(wǎng)的精度，可以在全面網(wǎng)之上布設框架網(wǎng)，以框架網(wǎng)作為整個GPS 網(wǎng)的骨架;
在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6 條;
若要采用高程擬合的方法測定網(wǎng)中各點的正常高/正高，則需在布網(wǎng)時選定一定數(shù)量的水準點。水準點的數(shù)量應盡可能的多，且應在網(wǎng)中均勻分布，還要保證有部分點分布在網(wǎng)中的四周，將整個網(wǎng)包含在其中;
為提高GPS 網(wǎng)的尺度精度，可采用增設長時間、多時段的基線向量。
6、布設GPS 網(wǎng)時起算點的選取與分布
若要求所布設的GPS 網(wǎng)的成果與舊成果吻合最好，則起算點數(shù)量越多越好。若不要求所布設的GPS 網(wǎng)的成果完全與舊成果吻合，則一般可選3～5 個起算點，這樣既可以保證新老坐標成果的一致性，也可以保持GPS 網(wǎng)的原有精度。
為保證整網(wǎng)的點位精度均勻，起算點一般應均勻地分布在GPS 網(wǎng)的周圍。要避免所有的起算點分布在網(wǎng)中一側的情況或連成一線的情況。
2、 GPS基線解算
1 、基線解算的步驟
基線解算的過程，實際上主要是一個利用最小二乘法進行平差的過程。平差所采用的觀測值主要是雙差觀測值。在基線解算時，平差要分五個階段進行。第一階段，根據(jù)三差觀測值，求得基線向量的初值。第二階段，根據(jù)初值及雙差觀測值進行周跳修復。第三階段進行雙差浮點解算，解算出整周未知數(shù)參數(shù)和基線向量的實數(shù)解。第四階段將整周未知數(shù)固定成整數(shù)，即整周模糊度固定。在第五階段，將確定了的整周未知數(shù)作為已知值，僅將待定的測站坐標作為未知參數(shù)，再次進行平差解算，解求出基線向量的最終解-整數(shù)解。
2 、重復基線的檢查
同一基線邊觀測了多個時段得到的多個基線邊稱為重復基線邊。對于不同觀測時段的基線邊的互差，其差值應小于相應級別規(guī)定精度的22倍。而其中任一時段的結果與各時段平均值之差不能超過相應級別的規(guī)定精度。
我們在進行基線處理時經(jīng)常會遇到重復基線檢查不合格的情況。而造成這種情況的主要有以下幾種情況：
1、在架設儀器時由于對中整平的誤差造成(該種情況一般對短基線影響很大)，處理該種情況時需要在出外業(yè)前對基座進行檢查并且進行外業(yè)觀測架設儀器時嚴格對中整平。
2、由于點號及儀器高輸錯、或外業(yè)記錄時出錯造成(這種情況最為普遍，并且由于該種情況還會造成異步環(huán)搜索時異步環(huán)不閉合)，一般來說在軟件上比較好檢查出出錯的觀測點，例如我們可以在軟件上查看觀測數(shù)據(jù)通過觀測數(shù)據(jù)的初始經(jīng)緯度來判定點號是否出錯。在搜索異步環(huán)時往往超限數(shù)據(jù)非常大。對于這種情況的處理一定要嚴格外業(yè)觀測手簿的記錄。
3、 閉合環(huán)搜索
在GPS測量中，為了檢驗GPS野外實測數(shù)據(jù)的質量，往往需要計算GPS網(wǎng)中同步環(huán)或異步環(huán)閉合差。
為了使精度評估更準確，往往需要刪除一些重復基線，通常的軟件都要求手工輸入，若網(wǎng)較復雜，則工作量就非常龐大，而且錯誤、遺漏也就難以避免。實際上，在軟件中，可以結合圖論的有關知識，采用深度優(yōu)先搜索的方法搜索整個GPS網(wǎng)中的最小獨立閉合環(huán)、最小獨立異步閉合環(huán)、最小獨立同步閉合環(huán)以及手工選定環(huán)路和重復基線。
所謂最小獨立閉合環(huán)，具有以下幾方面的含義：
閉合環(huán)必須是最小的，即邊數(shù)是最少的;
閉合環(huán)必須是獨立的。
4、 GPS基線向量網(wǎng)平差
在一般情況下，多個同步觀測站之間的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)基線向量解算后，用戶所獲得的結果一般是觀測站之間的基線向量及其方差與協(xié)方差。再者，在某一區(qū)域的測量工作中，用戶可能投入的接收機數(shù)總是有限的，所以，當布設的GPS網(wǎng)點數(shù)較多時，則需在不同的時段，按照預先的作業(yè)計劃，多次進行觀測。而GPS解算不可避免地會帶來誤差、粗差以及不合格解。在這種情況下，為了提高定位結果的可靠性，通常需將不同時段觀測的基線向量連接成網(wǎng)，并通過觀測量的整體平差，以提高定位結果的精度。這樣構成的GPS網(wǎng)，將含有許多閉合條件，整體平差的目的，在于清除這些閉合條件的不符值，并建立網(wǎng)的基準。
另外，不管是靜態(tài)解算還是動態(tài)解算，都是在WGS-84坐標系下進行的，而已有的經(jīng)典地面控制網(wǎng)規(guī)模大，資料豐富;或者，用戶只進行小范圍的測量，需要的僅僅是局部平面坐標;加之，GPS單點定位的坐標精度較低，遠遠不能滿足高精度測量的要求。而且，通常用戶需要的是國家坐標系下的大地坐標(或投影坐標)或地方坐標系下的投影坐標，高程坐標也不再是大地高(橢球高)，而是水準高(正高)。有時還需要通過高精度GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)的聯(lián)合處理，加強和改善經(jīng)典地面網(wǎng)，以滿足用戶的需要。這樣就需要將WGS-84之間的坐標增量轉換到大地坐標中去，從而得到用戶所需要的坐標。由于坐標系之間的系統(tǒng)參數(shù)不一樣以及水準異常等原因，這種轉換理所當然地會帶來誤差。
根據(jù)平差所進行的坐標空間，可將GPS 網(wǎng)平差分為三維平差和二維平差。根據(jù)平差時所采用的觀測值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型，可將平差分為無約束平差約束平差和聯(lián)合平差等。
所謂三維平差是指平差在空間三維坐標系中進行。觀測值為三維空間中的觀測值，解算出的結果為點的三維空間坐標。GPS 網(wǎng)的三維平差，一般在三維空間直角坐標系或三維空間大地坐標系下進行。所謂二維平差，是指平差在二維平面坐標系下進行，觀測值為二維觀測值，解算出的結果為點的二維平面坐標。
所謂無約束平差，指的是在平差時不引入會造成GPS 網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù)。常見的GPS 網(wǎng)的無約束平差，一般是在平差時沒有起算數(shù)據(jù)或沒有多余的起算數(shù)據(jù)。所謂約束平差，指的是平差時所采用的觀測值完全是GPS 基線向量，而且，在平差時引入了使得GPS 網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù)。
GPS 網(wǎng)的聯(lián)合平差，指的是平差時所采用的觀測值除了GPS 觀測值以外，還采用了地面常規(guī)觀測值，這些地面常規(guī)觀測值包括邊長、方向、角度等觀測值等。
3 、常遇問題的解決辦法
1.如何處理不合格基線
通過設置衛(wèi)星高度角、采樣間隔、有效歷元等參數(shù)可以對基線進行優(yōu)化。
衛(wèi)星高度截止角
衛(wèi)星高度角的截取對于數(shù)據(jù)觀測和基線處理都非常重要，觀測較低仰角的衛(wèi)星有時會因為衛(wèi)星信號強度太弱、信噪比較低而導致信號失鎖，或者信號在傳輸路徑上受到較大的大氣折射影響而導致整周模糊度搜索的失敗。但選擇較大的衛(wèi)星高度角可能出現(xiàn)觀測衛(wèi)星數(shù)的不足或衛(wèi)星圖形強度欠佳，因此同樣不能解算出最佳基線。
一般情況下處理基線中高度截止角默認設置為20度。如果同步觀測衛(wèi)星數(shù)太少或者同步觀測時間不足，對于短基線來說，可以適當降低高度角后重新試算，這樣可能會獲得滿足要求的基線結果，此時應注意，要求測站的數(shù)據(jù)要穩(wěn)定，且環(huán)視條件要好，解算后的基線應進行外部檢核(如同步環(huán)和異步環(huán)檢核)以保證其正確性。
如果用默認設置值解算基線失敗，且連續(xù)觀測時間較長、觀測的衛(wèi)星數(shù)較多、圖形強度因子GDOP值較小，則適當提高衛(wèi)星的高度角重新進行解算可能會得到較好的結果，這主要是觀測環(huán)境和低仰角的衛(wèi)星信號產(chǎn)生了較嚴重的多路徑效應和時間延遲所引起的。
采樣間隔
一般的接收機具有較高的內部采樣率(指野外作業(yè)設置的數(shù)據(jù)采集間隔，由1秒至255秒自由設置，默認為15秒)。而處理基線中并不是所有的數(shù)據(jù)都參與處理，而是從中根據(jù)優(yōu)化原則選取其中一部分的數(shù)據(jù)采樣進行處理。采集高質量的載波相位觀測值是解決周跳問題的根本途徑，而適當增加其采集密度，又是診斷和修復周跳的重要措施，因此在采用快速靜態(tài)作業(yè)或者該基線觀測時間較短的情況下，可以適當把采樣間隔縮短。
無效歷元
在某些情況下，例如該衛(wèi)星的健康情況惡劣;或者測站環(huán)境不理想、受電磁干擾而導致某些衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號經(jīng)常失鎖;又或者低仰角的衛(wèi)星有時會因為衛(wèi)星信號強度太弱、信噪比較低而導致信號失鎖，或者信號在傳輸路徑上受到較大的大氣折射影響而導致整周模糊度搜索的失敗。此時應該對該衛(wèi)星的星歷進行處理。
通過查看基線詳解，可以對衛(wèi)星觀測中周跳的情況進行檢查，對于失鎖次數(shù)較多的衛(wèi)星或者觀測歷元數(shù)過少的衛(wèi)星進行剔除。
如何確定坐標系統(tǒng)
標準坐標系統(tǒng)
采用標準的WGS-84、北京54以及國家80坐標系可以直接在網(wǎng)平差設置里選擇，但是必須按要求輸入正確的原點經(jīng)度(投影中央子午線)。
自定義坐標系統(tǒng)(或者工程橢球)
�、� 已知參數(shù)
一般的自定義坐標系(或工程橢球)是從標準的國家坐標系轉換而來，大多數(shù)情形下是對加常數(shù)或者中央子午線、投影橢球高重新進行定義，因此必須選擇相應的參數(shù)，包括所用橢球的參數(shù)、加常數(shù)、投影中央子午線、投影橢球高等。
② 未知參數(shù)
假如是完全獨立自定義的工程坐標系，尤其是沒有辦法與國家點聯(lián)測、又或者投影變形超過規(guī)范要求的，可以選用標準橢球，例如北京54橢球參數(shù)，然后采用固定一點和一個方位角的辦法來處理。具體方法如下：
采用基線某一端點的單點定位解作為起點，然后用高精度的紅外激光測距儀測出到基線另一端點的邊長，經(jīng)過嚴格的改正后，投影到指定高度(一般是測區(qū)的平均高程面)，然后假定一個方位角(一般是采用真北方向)算出基線終點的坐標，以此兩點作為約束點，然后采用與前面一致的橢球參數(shù)，投影橢球高，此時注意原點經(jīng)度(中央子午線)可以采用測區(qū)中央的子午線。這樣，一方面使到其變形滿足規(guī)范要求，另一方面在小比例尺的圖上可以與國家標準坐標系聯(lián)系起來。
工程施工單位經(jīng)常使用的自定義坐標系統(tǒng)。如果設計單位在測設時候布設了控制點且提供控制坐標成果的情況下。施工單位在使用GPS加密控制點的時候進行網(wǎng)平差就比較簡單。我們只需要聯(lián)測設計院提供的成果進行平差就好。
但是如果設計單位沒有提供控制點成果的情況下我們使用GPS進行控制點的觀測時，就一定要確定好坐標系統(tǒng)。通常我們選擇自定義坐標系統(tǒng)中的第二項即未知參數(shù)的情況進行網(wǎng)平差。例如某大橋的控制測量我們布設好控制點后進行觀測。數(shù)據(jù)處理完后進行網(wǎng)平差時。我們就可在某端選取一個點將該點的大地坐標(經(jīng)緯度)正算成平面直角坐標，然后用高精度的紅外激光測距儀測出到基線另一端點的邊長，經(jīng)過嚴格的改正后，投影到指定高度(一般是測區(qū)的平均高程面)，然后假定一個方位角(一般是采用真北方向)算出基線終點的坐標，以此兩點作為約束點，然后采用與前面一致的橢球參數(shù)，投影橢球高，此時注意原點經(jīng)度(中央子午線)可以采用測區(qū)中央的子午線。亦可將該點的平面直角坐標作為約束點，然后在平差選擇中選擇角度約束指定另外一端點的坐標方位角和距離進行約束平差
rtk靜態(tài)測量需要幾個已知點
該測量其中兩點必須是已知點。
如果有三臺儀器，在三點觀測完畢時需要同時關機，再將其中一臺搬至另外一點以此類推，剛開始學習盡量是就觀測四個點，其中兩點必須是已知點。
如果在有地形圖的情況下先在地形圖中選擇需要做的點的位置大致保證三點成正三角形形狀，并標注出坐標。
三臺rtk如何做靜態(tài)測量
1.測量點準備。在測量點放置三腳架，確保三腳架嚴格對中、整平，并裝上測量件。量取天線高三次，取三次測量的平均數(shù)作為最終的天線高，天線高的量取包括桿高、斜高、直高和測片高。
2.儀器架設。將三臺RTK主機分別連接到測片上，測片凸出的一面朝上，然后連接基座和腳架。在架設儀器時，不需要上天線。
3.儀器設置。使用手薄連接三臺儀器，進行配置，設置儀器為靜態(tài)采集模式。在主機模式下，設置主機工作模式為靜態(tài)。
4.觀測與記錄。在所有儀器開機并設置為靜態(tài)模式后，開始觀測。記錄每臺儀器的開機時間、儀器編號、對應點名、天線高、測量時間等信息。
5.數(shù)據(jù)處理與下載。靜態(tài)測量完成后，關機并記錄關機時間。之后，進行靜態(tài)數(shù)據(jù)的下載和靜態(tài)數(shù)據(jù)處理。此外，在三點觀測完畢后，需要同時關機，并將一臺儀器搬至另外一點進行觀測。剛開始學習時，建議觀測四個點，其中兩個必須是已知點。
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