GPSRTK技术及RTK在地形测量公路测量中的应用毕业论文.docx

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1、GPSRTK技术及RTK在地形测量公路测量中的应用毕业论文 华北水利水电大学继续教育学院毕业论文 GPS-RTK技术及RTK在地形测量、公路测量中的应用 摘要：本文主要介绍了RTK技术的发展，定位原理，RTK测量的特点，及基本工作条件。结合地形图测量的特点，利用RTK测量地形图，可以快速完成外业数据采集和内业处理。RTK技术应用于公路测量是外业勘测的一项重大技术革命，其应用及开发的前景十分广阔。针对RTK地形测量中遇到的部分问题，本文提出若干解决办法及科学的建议。 关键词： GPS RTK 地形测图 公路测量 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 目录 GPS-RTK技术及RTK在地形测量、公

2、路测量中的应用 . i 绪论 . 1 1 定位原理 . 3 1.1 GPS基本定位原理 . 3 1.2 载波相位差分技术 . 3 2 RTK . 6 2.1 什么是RTK . 6 2.2 RTK的基本工作条件 . 6 装订线2.3 RTK 技术优点 . 7 2.4 RTK接收机 . 7 2.4.1 GG-RTK 接收机 . 7 2.4.2 GPS测量系统 9800天王星 双频RTK . 8 3 误差及精度分析 . 10 3.1 RTK精度 . 10 3.2 RTK误差 . 10 3.2.1 天线相位中心变化 . 11 3.2.2 多径误差 . 11 3.2.3 信号干扰 . 11 4 RTK内

3、业预处理 . 12 4.1 控制网优化设计 . 12 4.1.1 精度指标 . 12 4.1.2 图形设计原则 . 12 4.1.3 采用三角网 . 13 4.1.4 基准设计 . 13 4.2 坐标参数及转换 . 13 4.3 参考站 . 14 5 野外作业 . 15 5.1 踏勘选点 . 15 5.2 观测工作计划 . 16 5.2.1 观测计划的拟定主要依据 . 16 5.3 仪器配置与检验 . 18 第 I 页 共 II 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 5.3.1 配置要求 . 18 5.3.2 检验仪器 . 18 5.4 观测工作 . 18 5.4.1 天线安置 . 18

4、5.4.2 观测工作 . 19 5.4.3 观测记录 . 19 6 RTK技术在公路上的应用 . 22 6.1 RTK技术的应用情况 . 22 6.2 RTK技术的静态定位 . 22 6.3 RTK技术的动态定位 . 22 装订线7 GPS RTK技术应用实例 . 22 7.1 测量方法与步骤 . 23 7.2 基准站设置 . 24 7.3 坐标转换参数的确定 . 25 7.4 分项测量 . 25 7.4.1 定线放样 . 25 7.4.2 带状地形图测绘 . 25 8 观测中的问题及建议 . 26 8.1 电量不足问题 . 26 8.2 天空环境影响 . 26 8.3 部分遮挡影响 . 26

5、 9 总结 . 27 参考文献 . 28 第 II 页 共 II 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 绪论 过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用RTK时，仅需一人装订线背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一

6、个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，大大提高了工作效率。 五十年代末，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统TRANSIT的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃，我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低，难以满足大地测量或工程测量的要求，更不可能用于天文地球动力学研究

7、。为了提高卫星定位的精度，美国从XX年开始筹建全球定位系统GPS。在进行了方案论证、系统试验阶段后，于XX年开始发射正式工作卫星，并于XX年全部建成，投入使用。GPS系统的空间部分由21颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度为20000余公里，轨道倾角为55度，扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442兆赫兹和1227.6兆赫兹，卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测

8、速、三维定位和授时。 第 1 页 共 28 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 GPS系统的控制部分由设在美国本上的5个监控站组成，这些站不间断地对GPS卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。 GPS系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。虽然GPS系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展，各类GPS接收机和处理软件纷纷涌现出来。目前在中国市场上出现的接收机主要有R0GUE、ASHTECH、TRIMBLE、LEICA、S0KKIA、T0PC0F等。能对两个频率进行观测的接收机称为双频接收

9、机，只能对一个频率进行观测的接收机成为单频接收机，他们在精度和价格上均有较大区别。 对于测绘界的用户而言，GPS已在测绘领域引起了革命性的变化。目前，范围数公装订线里至几千公里的控制网或形变监测网，精度从百米至毫米级的定位，一般都将GPS作为首选手段，随着RTK技术的日趋成熟，GPS已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。 国际GPS大地测量和地球动力学服务IGS自XX年起，已在全球建立了多个数据存储及处理中心，和百余个常年观测的台站，我国也设立了上海余山、武汉、西安、拉萨、台湾等多个常年观测台站，这些台站的观测数据每天通过INTERNET网传向美国的数据存储中心，IGS还几乎

10、实时地综合各数据处理中心的结果，并参与国际地球自转服务IERS的全球坐标参考系维护及地球自转参数的发布。使用者也可免费从INTERNET网上取得观测数据及精密星历等产品。 GPS系统的实时导航定位精度很高，美国在XX年起实行了所谓的SA政策，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动，后又实行了A-S政策，即将P码改变成为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响，但美国为了获得更大的商业利益，这些政策终将被取消。 现在专家正致力于研究网络RTK，网络RTK就是在一定区域内建立多个基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站

11、中的一个或多个为基准，计算和发播改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式，又称为多基准站RTK。与常规RTK相比，该方法的主要优点为覆盖面广，定位精度高，可靠性高，可实时提供厘米级的定位，如初步建成的深圳市连续运行卫星定位服务系统。 第 2 页 共 28 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 1 定位原理 1.1 GPS基本定位原理 GPS由三个独立的部分组成： 空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由

12、主机、天线和电源组装订线成。 图1-1 GPS基本定位原理示意图 GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收这息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。 1.2 载波相位差分技术 GPS RTK就是实施动态载波相位差分技术，属于相对定位技术中的一种。基本原理是将已知坐标点上的观测值与已知坐标等，通过数据连实时传送到同步观测的另一运动第 3 页 共 28 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 点上，利用两点之数据的相关性对未知点坐标进行改正后，使未知点获得满意的定位结果。实践证明，点的平面定位精度已达到了厘米级。整个系统由一个参考站，

13、一个以上流动站，一个以上电台中继站及数据处理系统四部分组成。系统工作原理：参考站、流动站同时接收4颗以上的相同卫星，设立在已知点上的参考站，将接收到的卫星信号及控制器中输入的WGS-84系参考坐标，借助于电台数据链实时的传送给流动站。流动站将本机接收到的卫星信息和参考站发来的信号，现场实时处理出WGS-84系坐标，并根据转换参数及投影方法实时计算出流动站的平面坐标和海拔高程。 装订线图1-3 RTK定位示意图 第 4 页 共 28 页 图1-2 RTK工作原理 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 在图1-3中是以地面观测站为基准站，安置在其上的接收机固定不动，而另一台接收机的位置是运动的，于

14、任一历元t，从运动点Ti(t)至所测卫星sj 的几何距离可写为： rij(t)=rj(t)-ri(t) 其中，rj(t)在协议地球参考坐标中，所测卫星的sj的瞬时为止向量； ri(t)在同一参考系中，运动点Ti(t)的瞬时位置向量。 测相伪距的观测方程可写为： 装订线ljij(t)=rij(t)+cdti(t)-dtj(t)-lNij(t0)+DijIP(t)+DijT(t) 如果周未知数Nij(t0)已经确定，那么上式便可改写为： ri=rij(t)+cdti(t)-dtj(t)+Dij*IP(t)+Dij*T j其中 其中 其中 r(t)=ljij(t)+lNij(t0) 由此，若忽略大气

15、折射残差的影响，则可得单差观测方程： Dr(t)=r2j(t)-r1j(t)+cDt(t) jjiDr=r(t)-r(t) jjjDt(t)=dt2(t)-dt1(t) 如果采用双差模型 kDr(t)=r2(t)-r1k(t)-r2j(t)+r1j(t) kDr(t)=Dr(t)-Dr(t) kkj求出时间和相位，即可确定流动站相对于基准站的准时位置。基准站位置已知，通第 5 页 共 28 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 过内置软件自动结算，即可显示出当前坐标。此技术应用到GPS定位中，即载波相位RTK技术。 2 RTK 2.1 什么是RTK 常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、

16、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载装订线波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK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。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历

17、时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。 各种控制测量传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，精度分布不均匀，而且在外业不知精度如何，采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来

18、进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。 2.2 RTK的基本工作条件 第 6 页 共 28 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 基准站和移动站同时接收到5颗以上GPS卫星信号。基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准站发出的差分信号。基准站和移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号。即移动站迁站过程中不能关机，

19、不能失锁。否则RTK须重新初始化。 2.3 RTK 技术优点 作业效率高。在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4KM半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。 装订线定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。如Ashtech的Z-X RTK的点位精度可由于优于2.5 cm。 降低了作业条件要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通

20、视”。因此，和传统测量相比，PTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。使测量工作变得更容易更轻松。 RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。 操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便

21、快捷地与计算机、其他测量仪器通信。 2.4 RTK接收机 2.4.1 GG-RTK 接收机 Ashtech GG-RTK接收机是第一台使用双卫星系统的厘米级实时动态测量接收机。先进的GG-RTK系统可用于那些遮挡比较严重、接收到的GPS卫星少于五颗的地区，如露天矿区和城市。 第 7 页 共 28 页 华北水利水电大学继续教育学院毕业设计 初始化时间短：进行RTK初始化时，接收机要计算天线至卫星的载波相位波长整周数处理。在整周数确定之前的定位解是浮点解，整周数固定后的解是固定解。由于使用双卫星系统，GG-RTK便能在那些只使用GPS的其他接收机无法固定整周数。跟踪的卫星数越多，固定整周数越快，当

22、可以所顶14颗或更多卫星时，初始化仅需几秒钟。初始化是自动进行的，初始化期间，不需要接收机静止，也不需要任何输入。 多功能基准站：一个GG-RTK基准站可以同时播发GPS和GLONASS的差分改正，还可以播发RTK数据的差分改正。因此只使用一个GG-RTK基准站便能为多台各种组合的差分流动站、RTK导航、RTK测量和后处理测量）提供差分改正。GG-RTK使用国际通用的RTCM标准，所以如果购买了其他的型号的流装订线动站，GG-RTK仍能作为基准站使用。内置电台：进行RTK作业时基准站和流动站需要数据链来建立通讯。GG-RTK可以选择内置扩频电台，其工作频率为902928兆赫。 2.4.2 GPS测量系统 9800天王星 双频RTK 新980