GPSRTK用于图根控制的研究

河南理工大学本科毕业论文I本 科 毕 业 设 计（论文） 题目 GPS RTK 用于图根控制的研究院（系部）测绘与国土信息工程学院专业名称 测绘工程 年级班级 测绘工程 09-05学生姓名 指导教师 李长春 2013 年 05 月 29 日河南理工大学本科毕业论文II摘 要GPS RTK(Real Time Kinematic)技术是指载波相位实时动态差分 GPS 定位技术，它具有实时、定位精度高、操作简便等特点，被广泛地应用于地形图测绘、碎部测量等测量领域，是 GPS 发展的新形式，是 GPS 应用的重大里程碑。它的出现为各种控制测量、地形测图和工程放样等带来了曙光，极大地提高了测量工作的外业作业效率。为了扩大 GPS RTK 技术在测量工作中的应用范围，满足高精度的测量要求以及建立大面积的测量控制网的需要，拟通过具体的设计试验探寻出实用的测量方法来代替传统的常规测量方法，使测量工作更简便快捷。但是就目前来说，由于受卫星信号、接收机状态、测站周围环境及仪器操作的影响，RTK 定位有时会出现失真，其成果不可能百分之百的可靠，为了将 RTK 更好地服务于测绘工程，有必要对 RTK 的测量精度进行研究和分析。论文研究内容： 介绍 GPS RTK 的基本原理。 用 RTK 观测的点位坐标与静态 GPS 观测的成果进行对比、检测分析，从而来检测 RTK 成果的质量。 用 RTK 观测的点位坐标与全站仪观测的导线点成果进行对比、检测分析，从而来检测 RTK 成果的质量。关键词：GPS RTK； 图根控制； 精度分析河南理工大学本科毕业论文IIIAbstractThe technology of GPS RTK, namely, the technology of the carrier phase real-time dynamic differential positioning, has the characteristics of the real time, the higher positioning accuracy and the simplicity. The technology which is a new method of the development of GPS and a significant milestone of the application of GPS is widely used in topographic mapping, scattered measurements and other measurement fields. The coming of GPS RTK brings new dawn to all sorts of controlling measurements and the mapping of the geography and improves the efficiency of the field operations of the measurement enormously .I intend to seek out a practical measurement in place of the conventional one in order to expend the field of application of GPS RTK ,satisfy the demand of the precision and the requirement of establishing a widespread range of controlling of the measurement and make the measurement much easier and quicker . But now, due to the efffects of the satellite signal, receiver state, surrounding environment and instrument operation, RTK may be fuzzy sometimes, so the results cannot be reliable absolutely. In order to make RTK serve for engineering of surveying and mapping better, it is necessary to research and analysis the accuracy of RTK measurement.The research content of this paper: Introduce the basic principle of GPS RTK. Compare and analysis the result of point coordinate by the observation of RTK and result by the observation of static GPS, and use this detect the quality of RTK. Compare and analysis the results of point coordinate by the observation of RTK and traverse points by the observation of total station, and use this detect the quality of RTK. Keywords: GPS RTK；mapping control；precisi河南理工大学本科毕业论文IV目录1 绪论 .31.1 研究目及意义 .31.2 国内外研究现状 .41.3 论文主要内容 .62 GPS RTK 定位原理.72.1 GPS 测量原理 .72.1.1 GPS 系统简介.72.1.2 GPS 系统原理及其特点.82.1.3 GPS 网的布设.92.2 GPS RTK 测量原理 .112.2.1 GPS RTK 原理.112.2.2 GPS RTK 系统的组成.132.2.3 GPS RTK 技术优点.142.2.4 GPS RTK 定位的关键技术.152.2.5 GPS RTK 的局限性.172.2.6 RTK 测量应注意事项.192.3 RTK 常规操作流程 .203 GPS RTK 用于图根控制应用的研究.303.1 研究实例一.303.1.1 实验概况 .30河南理工大学本科毕业论文23.1.2 实验方法 .303.1.3 精度评定及结论 .313.2 研究实例二.323.2.1 工程概况 .323.2.2 实验方法 .343.2.3 精度评定及结论 .354 结论与展望 .374.1 结论 .374.2 展望.37致 谢 .38参 考 文 献 .39河南理工大学本科毕业论文31 绪论1.1 研究目及意义GPS(Global Positioning System) ，即全球卫星定位系统，自问世以来，作为测量定位新技术，广泛应用于陆海空领域的导航和为测量，在大地测量及工程测量应用领域中产生了前所未有的影响，该系统可以在全球范围内全天候地为地面目标提供信息，从而确定该目标在地面上的精确位置、速度、运行方面等参数。随着 GPS 技术的不断发展，其应用已遍及各种测量领域，特别是 GPS 实时动态插分 RTK（Real Time Kinematic）技术的迅速发展和完善，在常规测量领域里越来越得到广泛的应用。目前国内外 GPS 的应用领域主要分为导航与测绘两个方面。（1） 如今在导航领域，GPS 技术根据需要已经开发出非常完善且功能强大的交通导航系统，主要功能包括信息查询、车辆跟踪、话务指挥、出行路线规划、紧急援救等。（2） 在大地测量、地籍测量、资源勘探中，GPS与传统的测量手段相比，也有着巨大的优势；在工程测量中，GPS可以用来建立各种道路工程控制网及测定控制点等；GPS技术同时也被应用于其他大型工程的控制测量中，其检测精度达到了毫米级，具有明显的经济和社会效益。现今静态GPS越来越多地应用于高精度控制网的建立方面，采用相位差分可以达到厘米甚至毫米级精度，与常规测量方法比较，静态GPS具有以下特点：（1）操作简便，数据处理能力强。常规的水准仪、经纬仪进行测量时，都要用笔进行现场的记录，并进行数据的限差计算。RTK测量只要事先设定限差就可以对数据自动的进行取舍和记录。测量结果可以直接导入计算机，不需人工输入。（2）作业效率高，使用人员少。常规的水准仪、经纬仪和全站仪等测量仪器，在进行测量时均需要经常地搬站，而且完成一项任务通常需要3、4个人一起工作。GPS RTK技术在一般情况下，仅需一人操作，几秒钟就可取得坐标值。在平坦地区，一次可测完半径为357kin的测区范围。在山区时，可加设中转站，降低了搬站次数，提高了工作效率。（3）与传统测量比较，作业条件要求减少。传统的常规测量需要观测点间通视，并且还要在白天等有利的观测条件时观测等；而RTK受通视条件、能见度、气候、季节等因素影响和限制小，适于全天候作业等。（4）作业自动化、集成化程度高、适用范围广。常规测量仪器只能在某种工程中适用，而RTK以其独有的特点，在地形测绘、工程放样等方面均可独立完成。河南理工大学本科毕业论文4（5）定位精度高，数据可靠，没有误差积累。常规测量方法的作业中，路线往往都是连续的，误差很容易一站一站的积累下去。RTK测量的是独立的点位，测量点之间不存在联系，因此误差不会积累。常规测中人的操作占主导地位，难免会出现较大的偏差。而RTK测量是自动进行的，过程中不需人为的读数等操作，所以测量数据比较稳定和可靠。GPS RTK由于其不需要数据后处理就能得到厘米级的实时定位数据的特点，在测绘领域中大放异彩，与常规测量技术相比，它使测量工程缩短了工期，降低了成本，减少了人员的投入，使测量变得更加方便简单。目前GPS RTK在测绘领域中已经应用于生产的方面有地形图测绘，碎部测量，道路中桩测量放样，横断面测量，纵断面地面线测量等，在满足测量精度的同时，也大大提高了作业效率，备受测量人士的青睐。随着GPS应用领域的进一步扩展，既能满足实时测绘，又能满足精密导航的GPS技术成为人们研究的重点，为此开发出了实时载波相位差分GPS技术，也就是RTK(Real Time Kinematic)技术。GPS RTK定位是基于GPS载波相位观测值的实时动态测量技术，它是由一台或多台基准站接收机、一台以上流动站接收机以及用于数据传输链组成的定位系统。在GPS RTK作业模式下，基准站接收机借助数据链将其观测值及坐标信息发送给流动站接收机，流动站将采集到的GPS观测数据和接收来自基准站的数据组成差分观测值进行实时处理，求得流动站点的三维位置(X 、Y、Z) 。GPS RTK 的测量成果的精度与全站仪相比较不及全站仪，可靠性同样不及全站仪。GPS RTK 虽然作业实时快速，但是由于 RTK 的局限性，在不利情况下电子手簿上显示的高精度往往不能代表该 RTK 测量成果的精度，它缺少必要的检核条件，因此其测量成果的真实精度有多高，需要分析检验，也就是数据质量需要检核，因此这也就决定了 RTK 成果有必要进行检测与分析，如果轻易相信接收机手簿上的精度显示，采用这样的数据势必会影响施工的质量，造成重大的经济损失。特别是稳定性方面观测数据的误差具体多大，或者从理论上来评价还值得研究，加之目前行业对 RTK 测量还没有一个统一的作业规范，因此在其测量精度和作业方式上众说纷纭，对 GPS RTK 测量结果的精度进行检测是十分必要的，是有其现实意义的，本论文正是基于这一点来提出研究。因此论文主要研究以下两个方面：（1）图根控制：对 GPS RTK 获得的图根控制点的坐标的精度及可靠性进行研究；（2）理论价值：通过实际例子得到的数据进行比对，得出结论。1.2 国内外研究现状GPS 实时动态差分 RTK 技术是近年来出现的测量高新技术，实践证明其应用能大大河南理工大学本科毕业论文5提高工作效率，减轻劳动强度，成果质量可靠等，从而提高经济效益，给测绘工作带来了巨大的影响。由于 RTK 容易受到卫星状况、外界环境等影响，加上不能像静态GPS 测量有检核条件，因此 RTK 有其局限性，故 RTK 测量成果的精度和可靠性都需要进行验证。针对 GPS RTK 的精度可靠性的研究，很多学者提出了很多精度分析的方法，比如列举影响 GPS RTK 测量的因素，提出改善影响因素条件来提高精度，如郭建东等 1采用的方法是把数据和控制点进行对比，看看它们误差的差别。但由于进行GPS RTK 测量的时候，各点之间孤立，构不成几何图形，缺少检核条件，点位坐标接收精度的可靠性无法验证，很难估计，用坐标或边长差值的大小来判断测量成 果 的 可靠 性 ， 但 究 竟 多 大 的 差 值 才 能 说 明 其 精 度 可 靠 ， 并 没 有 一 个 量 度 指 标 ， 黑 志 坚 2出了测量成果的坐标检测法精度估计和测量成果的边长检测法精度估计的两种方式，有一定的理论和工程指导意义。郭建东等的已知点位比较法，即作为测量起算数据的高级控制网，一般用静态GPS 获得，具有很高的可靠性，可以通过将己知点纳入到测量链中的方式进行检查。罗满建等 3实际工程来验证精度，用静态观测值和真实值来对比 GPS RTK 的成果，从而来检核 RTK 数据。潘宝玉 4论正确求解坐标转换参数，合理设置基准站和限制作业半径，还有观测卫星的图形强度要高等来提高 GPS RTK 成果的精度。不少学者对数据检验也提出了一些方法，如宋 良 学 、 王 传 海 等 5对 精 度 进 行 了 分 析 ， 还 对 可 靠 性 来 进 行研 究 ， 通 过 改 善 影 响 GPS RTK 的 数 据 精 度 的 因 素 来 提 高 准 确 性 ， 讨论 GPS RTK 的点的准确度和误差。还有文章只从 GPS RTK 的技术上来研究其精度的问题。朱 正 华 等 6出 了 五 个 方 法 来 对 GPS RTK 的 成 果 数 据 进 行 质 量 控 制 ， 如 快 速 静 态 比较 法 ， 这 种 方 法 是 在 进 行 观 测 的 同 时 ， 对 某 些 点 再 进 行 一 次 快 速 静 态 观 测 ， 事 后 对 这 些点 的 成 果 和 快 速 静 态 成 果 进 行 比 较 分 析 ， 通 过 两 种 作 业 模 式 的 比 较 ， 来 检 查 动 态 初 始 化的 可 靠 性 以 及 数 据 链 的 稳 定 性 ， 从 而 检 查 成 果 是 否 有 质 量 问 题 。 复 测 比 较 法 ： 这 种 方 法有 两 方 面 的 含 义 ： 其 一 ， 是 在 每 次 迁 移 基 准 站 后 先 复 测 前 一 基 准 站 上 已 测 过 的 点 1-3 个 ，并 现 场 比 较 其 成 果 ， 从 而 判 断 数 据 链 工 作 的 可 靠 性 ， 确 认 没 有 问 题 以 后 ， 才 进 行 新 的 观测 ； 其 二 ， 是 在 每 次 重 新 初 始 化 成 功 后 ， 先 复 测 附 近 已 测 过 的 点 l-3 个 ， 现 场 比 较 其 成果 ， 从 而 判 断 这 次 的 初 始 化 是 否 正 确 可 靠 ， 确 认 初 始 化 没 有 问 题 以 后 ， 才 进 行 新 的 观 测 。其 次 还 有 电 台 变 频 法 ： 其 原 理 就 是 这 种 方 法 是 在 测 区 内 建 立 两 个 或 两 个 以 上 的 参 考 站 ，每 个 参 考 站 都 用 各 自 不 同 的 频 率 发 射 差 分 改 正 数 据 ； 流 动 站 进 行 观 测 时 ， 其 电 台 配 有 变频 开 关 ， 可 以 选 择 接 收 不 同 的 参 考 站 发 射 的 差 分 改 正 数 据 ， 从 而 在 每 个 点 上 实 时 地 接 收某 一 个 参 考 站 的 差 分 改 正 数 据 ， 即 可 获 得 1 个 成 果 。 此 后 电 台 切 换 为 另 一 个 频 率 ， 又 可接 收 到 另 一 个 参 考 站 的 差 分 改 正 数 据 ， 得 到 同 一 点 的 另 一 个 成 果 ， 实 时 地 比 较 多 个 成 果的 数 据 ， 就 可 以 判 断 这 次 观 测 有 无 质 量 问 题 ， 该 方 法 具 有 实 时 性 ， 是 数 据 质 量 检 核 的 一个 创 新 。其 他 还 有 穿 线 比 较 法 ， 这 种 方 法 和 复 测 比 较 法 略 有 不 同 ， 是 在 某 一 部 分 测 区 的 测 量河南理工大学本科毕业论文6基 本 完 成 后 ， 重 新 布 测 1 条 测 量 链 ， 用 于 对 整 个 测 区 内 的 成 果 进 行 质 量 控 制 ， 该 测 区 内每 一 条 测 量 链 上 取 1 个 点 ， 组 成 新 的 l 条 测 量 链 ， 即 根 据 新 布 测 的 新 链 的 成 果 来 判 断 该测 区 内 全 部 的 测 量 链 是 否 有 质 量 问 题 。 张志勇 7分别在不同的已知点上做基站从而对比测量结果的质量；但 通 过 GPS RTK 获 得 的 点 的 坐 标 的 成 果 质 量 还 不 可 靠 。 赵 军 8RTK测 量 的 过 程 中 ， 发 现 RTK 工 作 时 存 在 时 间 段 的 影 响 。 张 子 江 9GPS 测 量 数 据 来 检 核RTK 数 据 的 精 度 ， 从 而 对 RTK 的 精 度 做 了 一 些 重 要 的 分 析 ， 张 孝 军 10表 探 讨 了 基 站 距离 对 GPS RTK 测 量 精 度 的 影 响 ， 对 本 文 研 究 精 度 有 很 好 的 指 导 意 义 ， 总 之 这 些 学 者 为检 核 GPS RTK 数 据 结 果 的 精 度 和 可 靠 性 研 究 都 提 了 很 多 值 得 借 鉴 的 方 法 ， 为 继 续 研 究GPS RTK 数 据 结 果 的 精 度 分 析 有 一 定 的 指 导 意 义 。在探讨 GPS RTK 定位的精度分析中，国外的研究学者对 GPS RTK 测量过程进行了分析，如 Jaysatalich11对天宝的 GPS 仪器进行 RTK 测试，发现其仪器的精度在正常情况下，观测的距离可以达到 10km，平面的精度都在厘米级； El-Mowafy12过研究高度角与 GPS RTK 的结果的误差大小关系，发现高度角对 RTK 测量结果