优化转换参数对GPS—RTK定位精度提高的实验分析

王翔 魏长寿

摘 要：本文通过实验的方式对RTK技术在实施过程中分析转换参数对于定位精度的影响，通过实验数据对比，以优化转换参数的方式，提高RTK定位精度，拟得到RTK技术的定位精度能够达到小范围工程测量的精度要求，对在小范围工程测量中RTK技术的推广，提高作业效率，有着重要的意义。

关键词：RTK；工程测量；转换参数；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.124

1 引言

RTK（Real Time Kinematic）实时动态定位技术，是一项以载波相位观测为基础的差分GPS测量技术。GPS-RTK技术的优点在于能够进行实时定位，而且得到精度较高定位的定位成果，可以进行高质量内外业一体化数据处理，设备间无需通视，用途广泛等特点[1]。

在小区域内RTK测量首先要进行转换参数的求解，转换参数的质量好坏将会严重影响RTK的测量精度[2]。本文通过实验的方式对RTK技术在实施过程中分析转换参数对于定位精度的影响，通过实验数据对比，以优化转换参数的方式，提高RTK定位精度，拟得到RTK技术的定位精度能够达到小范围工程测量的精度要求，对在小范围工程测量中RTK技术的推广，提高作业效率，有着重要的意义。

2 实验场地设计

首先在试验场地进行E级GPS静态定位控制网的布设，基线长度都在1km以内，得到各实验点的已知坐标，布设控制网型如图1所示。该实验场地内有道路、建筑、树木等地物，环境模拟小区域城市工程测量的实施环境，可根据各个已知点为基础数据求解不同的转换参数，为进一步在实验中分析RTK技术在实施过程中转换参数对于定位精度的影响提供对比数据。

3 根据已知点求解转换参数的实验

GPS-RTK技术在实施的过程中，其实质就是先求解WGS-84坐标系到地方独立坐标系的转换参数，再使用该转换参数将获得的测点WGS-84坐标换算成地方独立坐标。因此使用合理的转换模型，获取精确的转换参数才是有效提高RKT定位精度的有效手段。

3.1 参数转换模型的选择

参数转换模型有两种，一种是七参数模型，利用至少3个已知点来计算转换参数，会得到一个尺度变化参数（m）、三个平移变化参数（?X0、?Y0、?Z0）、以及三个旋转参数（εX、εY、εZ ）。另一种是四参数模型，利用至少2个已知点来计算转换参数，会得到一个尺度变化参数（m）、以及三个旋转参数（εX、εY、εZ ）。

本文利用图1中KH21、KH22、 KH23三个点为已知点，分别7参数转换模型和4参数转换模型的方式计算RTK转换参数，并分别使用两套转换参数的RTK方法对KH31-KH38共8个点进行点位数据的获取，并与KH31-KH38共8个点的已知数据进行比较实验。实验结果表明使用7参数模型计算得到的转换参数进行RTK测量其平面定位精度误差达到米级，而使用4参数模型计算得到的转换参数进行RTK测量其平面定位精度误差很小，都在2cm范围内；在高程精度方面，两套转换参数所得到的定位精度误差都在2cm范围以外，由实验可知在小区域工程测量实施过程中，由于求解转换参数的已知点所覆盖的面积非常小，而七参数模型在求解转换参数的过程中，更多的考虑了地球曲率的影响，反而使结果误差很大，所以不考虑地球曲率应选用四参数模型求解转换参数，得到更好的定位精度结果。

3.2 选用相同已知点求解转换参数对相同点在不同时段进行RTK数据对比的实验

实验利用图1中KH21、KH22、 KH23三个点为已知点，使用4参数转换的方式计算RTK转换参数，并使用RTK的方法对KH31-KH38共8个点分上午、中午、下午三个不同时段进行点位数据的获取，并与KH31-KH38共8个点的已知数据进行比较。

通过实验数据对比分析得到，在采用相同已知点计算转换参数并在上午、中午、下午三个不同时段对相同的点进行观测时，其观测结果与已知点相比较误差也有不同。X、Y两个平面方向坐标上午、下午两个时段的实验数据，各点RTK观测值与各点已知坐标的较差都很小，几乎都在10mm以内；而各点中午时段的X、Y两个平面方向RTK观测值与各点已知坐标的较差都较大，基本都在10mm以上，通过实验得到，在使用相同已知点求解转换参数的情况下，上午和下午的观测精度要明显好于中午时段的观测精度，在中午时段电离层受到太阳黑子的运动的影响是一天中最剧烈的，GPS信号在此时段穿过电离层会受到相对较大的影响，实验表明在上午和下午进行RTK观测能够有效提高平面观测精度，实验数据表明观测误差在2cm范围内，能够达到工程测量的要求。

在高程观测精度上，通过上述实验数据得到，三个时段的观测误差都较大，通过实验证明RTK在高程测量方面的精度是难以保证的。

3.3 选用不同已知点求解转换参数在同时段对相同点进行RTK数据对比的实验

实验分别利用图1中KH21、KH22、KH23三个点为已知点，和利用图1中KH1、KH2、7三个点为已知点，两组已知点都使用4参数转换的方式计算得到两组RTK转换参数，分别使用这两组转换参数在同时段且使用同一個基准站对KH31-KH38共8个点进行点位数据的获取，分别与KH31-KH38共8个点的已知数据进行比较。实验结果如表1所示。

通过上表的实验数据对比分析可知，在选用不同已知点求解转换参数在同时段对相同点进行RTK观测时，其观测结果与已知点相比较误差也有不同。从表2中X、Y两个平面方向坐标使用不同转换参数的实验数据可知，在使用KH21、KH22、KH23三点计算转换参数时，各点的RTK观测值与各点已知坐标的较差都很小，几乎都在10mm以内；而使用KH1、KH2、7三点计算转换参数时，各点的RTK观测值与各点已知坐标的较差都较大，基本都在10mm以上；通过实验数据可以看出，使用KH21、KH22、KH23三点计算转换参数时得到的RTK测量值精度更高，实验数据表明观测误差在2cm范围内，能够达到工程测量的要求。通过图1 可以看出，KH21、KH22、KH23三点与KH31-KH38共8个点的距离更为接近，形成的控制网型更为稳固；也与4参数转换模型的求解过程有关，KH21、KH22、KH23三点所围成的面积比KH1、KH2、7三点围成的面积更小，更接近于一个平面，更适合于4参数模型解算出更精确的转换参数；转换参数的质量也与已知点的精度有很大关系，KH1点附近有16层的高楼，在数据静态解算时发现该点的信号接收状态不甚理想。从实验结果得知，通过选择形成更稳固的网型的控制点作为求解转换参数的已知点，以及选择更为可靠的已知点求解转换参数，能够对转换参数进行优化，进而有效提高RTK平面测量成果的精度。

在高程观测精度上，通过上述实验数据可知，两套转换参数的观测误差都较大，通过实验证明RTK在高程测量方面的精度是难以保证的。

3.4 实验分析转换参数的精确度与已知点的数量关系

从上个实验结果可以得出，选择不同的已知点求解出不同的转换参数得到的RTK测量结果的精度也是不同的，下面来分析一下转换参数的精确度与已知点的数量是否存在一定的关系，实验分别利用图1中KH21、KH22、KH23三个点为已知点，和利用图1中KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七个点为已知点，两组已知点都使用4参数转换的方式计算得到两组RTK转换参数，分别使用这两组转换参数在同时段且使用同一个基准站对KH31-KH34共4个点进行点位数据的获取，分别与KH31-KH34共4个点的已知数据进行比较。实验结果如表2所示。

通过上表的实验数据对比分析可知，在选用不同数量已知点求解转换参数在同时段对相同点进行RTK观测时，其观测结果与已知点相比较误差也有不同。从表3中X、Y两个平面方向坐标使用不同转换参数的实验数据可知，在使用KH21、KH22、KH23三个点计算转换参数时，各点的RTK观测值与各点已知坐标的较差都很小，几乎都在10mm以内；而使用KH21、KH22、KH23、KH35、KH36、KH37、KH38七个点计算转换参数时，各点的RTK观测值与各点已知坐标的较差都较大，基本都在10mm以上；通过实验数据可以看出，使用KH21、KH22、KH23三点计算转换参数时得到的RTK测量值精度更高，实验数据表明观测误差在2cm范围内，能够达到工程测量的要求。在高程观测精度上，通过上述实验数据可知，两套转换参数的观测误差都较大，所以RTK在高程测量方面的精度是难以保证的。

由实验结果可知，使用更多的已知点求解转换参数并不能使RTK测量结果更为精确，根据4参数模型计算原理，若参与计算的已知点多于两个就会使转换参数存在残差，这是由于已知点在WGS-84坐标下所构成的基线长度与这些已知点在独立坐标系下构成的基线长度不相等造成的，其实质原因是因为已知点的数据可能存在一定误差，如果把存在误差的已知点用来计算转换参数就会造成转换参数不够精确，从而影响RTK数据的精度。通过实验数据可以看出参与计算转换参数的已知点个数与RTK观测质量并无直接关系，如果已知点存在误差还会降低RTK观测质量。

4 结论与展望

本文通过在常规小区域工程测量实施环境的观测条件下，分析转换参数的精确度与已知点的数量关系等实验得到以下结论：

（1）在常规小区域工程测量实施环境的RTK观测条件下，选用四参数模型求解转换参数，得到更好的定位精度结果。

（2）在采用相同已知点计算转换参数进行观测时，上午和下午的平面观测精度要明显好于中午时段的观测精度。

（3）在选用不同已知点求解转换参数在同时段对相同点进行RTK观测时，选择形成更稳固的网型的控制点作为求解转换参数的已知点，以及选择更为可靠的已知点求解转换参数，能够对转换参数进行优化，进而有效提高RTK平面测量成果的精度。

（4）实验证明在选用不同数量已知点求解转换参数在同时段对相同点进行RTK观测时，参与计算转换参数的已知点个数与RTK观测质量并无直接关系，如果已知点存在误差还会降低RTK观测质量。

在实验的过程中求解转换参数时，手部无法显示出参与计算转换参数的已知点是否存在残差，若能实时获取已知点计算转换参数存在的残差数据，则可对残差较大的已知点进行剔除，选择更精确的已知点计算转换参数，进而实现转换参数的优化，提高测量精度。

参考文献：

[1]余小龙，胡学奎.GPS-RTK技术的优缺点及发展前景[J].测绘通报，2007（10）：39-41.

[2]顾胜东，刘长义.浅谈GPS-RTK转换参数对平面精度的影响[J].山西建筑，2008，34（14）：358-359.

內蒙古科技大学创新基金项目 项目编号：2016QDL-S07