GPS RTK在闸门定位上的应用

引言：
由于城市的不断规划扩建发展，造成自来水的相关设施的不断更迁，尤其是自来水闸门的不断变更，给自来水管道和相关设施的维护带来很大的不便，而利用GPS RTK技术能够便捷，高精度的对变更的闸门进行定位，满足了随时变动，即节省人力和物力，又能随时得到定位更新的要求，对自来水管道及相关设施维护带来很大的便利。
一、GPS相对定位原理
用两台GPS用户接收机分别安置在基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，并对观测量进行差分处理即进行线性组合，以确定基线端点（测站点）的相对位置。如果已知其中一个测点的坐标，就可以据此推算出另一个测点的坐标。
在实际作业中，也有用多台接收机置于多条基线的端点，通过同步观测GPS卫星以确定多条基线向量。
由于在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差，卫星钟差，接收机钟差以及电离层、对流层折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，因此利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，可有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高了相对定位的精度。用于计算流动站的位置,这就意味着参考站的数据传输必须借助于一个无线电调制解调器。同时,流动站接收到的数据也要通过一个无线电调制解调器进行解调。流动站坐标的现场显示及记录均将建立在参考站的已知坐标之上。这种测量方法所获得的基线精度为1cm+2ppm左右。
二、GPS实时动态定位
GPS实时动态定位是基于载波相位的GPS相对定位方式。相对定位距离为0.005~10km，采用的星历为广播星历，误差修正方式采用基准站相位误差改正，精度可达到10-6m。
GPS RTK测量技术既保证了GPS测量的高精度，又具有实时性。GPS RTK测量技术的原理，可简单描述为：在两台GPS接收机之间增加一套无线通信系统（亦称数据链），将两台（或两台以上）相对独立的GPS接收机联成有机的整体；基准站（安置在已知点上的GPS接收机）通过电台将观测信息、测站数据传输给流动站（运动中的GPS接收机）；流动站将基准站传来的载波观测信号与流动站本身测得的载波信号进行差分处理，从而解算出两站间的基线向量；若事先输入相应的坐标转换和投影参数，即可实时得到流动站的三维及坐标其精度。（其作业流程如图2所示）

RTK技术是建立在流动站与基准站误差强烈类似这一袈裟基础之上的。随着流动站与基准站间的距离的增加，其误差的类似性越来越差，定位精度也就越来越低；同时，数据通信也会受到作用距离拉长而干扰因素增加的影响。因此，上述RTK技术的作用距离是有限的，一般要小于10km。
三、RTK技术在闸门普查上的应用
以武汉市秦园路与和平大道的交叉口的闸门定位为例，项目要求：测出位于秦园路与和平大道交叉口闸门的具体坐标（1954年北京坐标系）并附带测量出距离被测闸门附近50m范围内的地形和相关设施。测量区域的视野开阔，无高大的建筑物和大功率的无线电发射台及高压输电线。适合于GPS RTK技术的应用。故采用GPS RTK测量方法对闸门进行高精度的定位。
（一）基准站点位的选择
在GPS RTK测量方法中，关键在于基准站与流动站点位的选择上，在闸门测量的项目中，流动站的点位选择是确定的，只要选择好基准站的位置，便可以进行RTK测量。
基准站点位的选择应注意以下几个主要方面：
（1）点位的选择应远离大功率的无线电发射台和高压输电线，以避免其周围磁场对GPS卫星信号的干扰。接收机天线与其距离一般不得小于200m。
（2）基准站附近布应有大面积的水域或对电磁波反射及吸收强烈的物体，以减弱多路径效应的影响。
（3）基准站应选在易于安置接收设备的地方，并且市场要开阔，点位周围高度角15。以上天空应无障碍物。
（4）还应考虑基准站附近具有良好的通信设施和电力供应，以供基准站与流动站之间的联络和设备用电。
现已知两个距离被测区域660m左右的城市控制点坐标(1954年北京坐标系)，它们分别是：
武昌北站货场GPS点；赵家墩与和平大道路口GPS点。
其中，武昌北站货场控制点距离被测区域663m左右，另一控制点距离被测区域660m左右。都符合RTK测量技术的范围要求，即不超过10km。相比较，武昌北站货场控制点位于武青堤，旁边便是长江，拥有大面积的水域，拥有大量对电磁波的吸收和反射强烈的物体；相反，赵家墩旁的控制点视野开阔，也无强烈的干扰因素。因此，将赵家墩旁的控制点作为基准站的最佳点位选择。
（二）野外RTK测量
检核完毕仪器，将基准站GPS接收机安置在参考点上,打开接收机,将内存卡上设置的参数读入GPS接收机,输入精确的参考点格网坐标(如:北京54坐标)和天线高,基准站GPS接收机通过转换参数将参考点格网坐标转换为WGS-84坐标安置好基准站，等待十几分钟。一般情况下，GPS接收机只需3分钟便可锁定卫星进行观测，若仪器长期不用，超过3个月，仪器内的星历过期、仪器要重新捕获卫星，这就需要十几分钟。

1.闸门定位
平均5分钟便可以对未知的闸门进行定位，应项目的需求，共计要定位7个未知闸门，总计用时1个小时。测量数据如下：

2.附带地形和设施测量
利用全站仪对附近的地形和相关设施进行测量，利用RTK测量定位的某两个闸门作为加密的控制点，这里选取的是1号和7号闸门作为图根点。利用全站仪进行附带测量。分别将该区域关键点测量出来。并绘制草图。
关键点测量包括：
①小区房角：小区的整体楼房造型比较规范，以长方形为主，测量房子的三个角就基本满足要求。
②道路的拐角：道路的测量主要是道路的转折点测量，有时也根据路基来测量
③花坛的拐角：花坛多为规则的长方形或者是两端带弧的长方形，也主要是测量它的拐点。
④管道设施：主要包括消防栓；闸门；水表；三通；逆止阀；稳压阀；变径处，分叉点以及拐点。根据实地情况分别测量设施的中心点。
⑤其他：如电线杆，路灯等。
四、业内数据处理及绘图
利用TS800软件下载测量的数据，并进行整理。在CASS7.1操作环境下，结合手绘的草图，绘制数字化图形。结合已有的原始数据和图形合成最新的水管设施电子图（见图3）

图3：水管设施更新图
五、总结
利用RTK技术再配合传统的全站仪测量，能便捷的完成测量工作。随着RTK测量技术日益成熟，在GPS RTK测量的方法在越来越多的领域都得到了应用。特别是在城市的地形测量和相关设施的精确定位上发挥了越来越重要的作用。
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（作者单位：湖北大学资源环境学院 湖北武汉）