gps-rtk原理及其在输配电线路测量中的应用

GPS-RTK 原理及其在输配电线路测量中的应用 摘 要：文章简述了全球定位系统（gps）的基本结构和 gpsrtk 技术的测量原理，介绍了 gps 的优缺点及 gps 在输配电 线路测量中的应用。 关键词：gpsrtk；输配电线路；测量 全球定位系统 gps 是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统， 能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间，因其具有自动 化程度高、观测速度快、定位精度高、经济效益显著等诸多优点 而被广泛应用。 利用 gps 技术不仅可以建立各种精密的城市控制网和工程控制 网，而且 gps 技术还具有经纬仪、全站仪等传统方法不能实现的 功能和应用领域。同时 gpsrtk 技术具有实时厘米级的定位精度， 目前已在电力、水利、道路、林业和勘界测量等领域得到了很好 的应用。而将 gpsrtk 技术应用于输电线路测量中，特别是定线、 测距、高程测量、断面测量以及杆塔定位测量等工作，可以大大 提高工作效率和勘测精度。 1 gps 简介 （1）gps 空间卫星星座由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组 成。24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道平面的倾角为 55，卫星的平均高度为 20 200 km，运行周期为 11 h58 min。 卫星用 l 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航 定位信号。导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一 个动态的已知点。 （2）gps 地面监控站主要由分布在全球的 1 个主控站、3 个注 入站和 5 个监测站组成。主控站根据各监测站对 gps 卫星的观测 数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制 成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电 文注入到相应卫星的存储器中。 （3）gps 用户设备由 gps 接收机、数据处理软件及其终端设备 （如计算机）等组成，gps 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角 所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进行交换、 放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差， 求出 gps 接收机中心（测站点）的三维坐标。 2 gpsrtk 技术 gpsrtk 技术是以载波相位观测值为根据的实时差分 gps（gpsrtk）技术。实时动态定位（rtk）系统是由基准站和 流动站组成的，进行 rtk 定位时，需要基准站和流动站之间的配 合。首先，基准站通过数据链，将其观测值和测站已知数据一起 传送给流动站；然后流动站通过数据链接收来自基准站的数据， 同时再采集 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，整个过程历时不到 1 s。rtk 定 位技术实现的关键在于数据的传输和数据的实时处理，而建立无 线数据通讯是实时动态测量的保证。 gpsrtk 技术其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准 点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站 上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基 准站上的观测数据，根据相对定位的原理实时计算显示出流动站 的三维坐标和测量精度。这样，用户就可以实时监测待测点的数 据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标， 确定观测时间，从而减少多余的观测，提高工作效率。 3 gpsrtk 技术应用于工程测量的优缺点 3.1 gpsrtk 技术的优点 第一，gps 测量可以精确测定测站点的三维坐标，可以提供较为 准确的数据，其高程精度已达到四等水准测量的要求。 第二，测量时间短，进行 gps 测量时，动态相对定位仅需几秒 钟就可以了，而静态相对定位虽然所需时间多一些，但也 最多超不过 20 min。随着 gps 测量技术的不断完善，软件的不 断更新，时间还会进一步缩短。 第三，仪器操作简单，目前观测人员只需对中、整平、量取天 线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。 第四，测站间无需通视，gps 测量使得选点工作更加灵活方便， 它可根据实际需要确定点位，不需要测站间相互通视。 第五，无时间限制，gps 测量可以实现全天候作业。它可以在任 何地点、任意时间连续进行观测，它具有分布均匀，卫星点数目 多的特点，且它一般不受天气状况影响，可以在任意时间段观测。 3.2 gpsrtk 技术的缺点 gpsrtk 技术有以下缺点：测量结果会受到卫星可见度的影 响；外界干扰也可能对测量结果产生影响；需要有合适的电 力供应（电源）等。 4 gpsrtk 技术在输电线路测量中的应用 4.1 应用于选线测量 影响线路走径的因素很多，必须遵循一些基本原则，如尽量少 拆房屋；避开重要的建筑；避开地质条件不好的内涝区、矿区等 地区；按规划部门、铁路、公路部门的要求跨越铁路、公路；与 通讯光缆、一、二级通讯线的交叉角要符合电信部门的要求等。 因此，线路走径的优化设计越来越重要，合理、经济的路径方案 能带来一定的经济效益和社会效益。线路路径方案优化设计可以 通过航测资料、高分辨率的卫片等手段来实现，但在一般输配电 线路工程中并无这些资料。利用 gpsrtk 技术并参照收集的地形 图可以实现选线及路径优化。 在选线时，对线路路径有影响的地方均用 gps 进行测量，测出 坐标，利用软件生成 cad 图，在微机上进行路径调整，确定线路 走径及各转角坐标。特别提出的是，在选线时各预计转角位置应 测量一到两个点，以控制转角的位置，使用室内调整路径时转角 躲开坟、井、坎子等落在合适的位置。具体作业时在 15 万或其 他比例尺走径图上预设好参考站点，使其能被合理有效利用，每 一参考站应能完成一个以上直线段的定线及定位工作，同一直线 段应使用同一参考站。 4.2 应用于定线定位测量 利用 gpsrtk 的实时动态测量的功能，将各转角坐标输入，然 后利用两个转角点定义直线，再在实地放样该直线，直接测出各 直线桩、断面点的里程、高程。利用 gps 数据处理软件生成一定 格式的数据文件，输入到线路成图软件中绘制平断面图。 在设置直线桩时，首先进行初步测量，观察相对于直线的偏移 量，若偏离直线较多时，不记录此点，经调整后再进行观测、记 录。直线桩按控制点观测，一般记录 10 个以上历元（gps 操作手 簿可以自动设定点位误差限差，操作过程中可以自动判定解算值 符合限差要求并给予提示） 。一个直线段应在同一参考站上完成。 每次换参考站时均对上一参考站确定的直线桩进行校测，校测结 果点位在 5 cm 以内，高程在 7 cm 以内。直线桩 距离一般不少于 200 m。 5 rtk 技术在输电线路测量中存在的问题 rtk 技术在输电线路中的应用大大提高了工作效率，降低了劳动 强度。但由于诸多不利因素降低了采集数据的质量。在应用过程 中，存在着 3 部分误差：一部分是对每一个用户接收机所公有的， 例如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等。第二 部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差。第 三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、 多径效应等。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除。第二 部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收 机的距离，可以控制 rtk 的有效作业半径来控制这部分误差。第 三部分误差则无法消除。 6 rtk 技术优化探讨 网络 rtk 技术：在一定区域内建立多个（一般为 3 个或 3 个以 上）的 gnss 基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站中 的一个或多个为基准，计算和发播 gnss 改正信息，对该地区内的 gnss 用户进行实时改正的定位方式，形成 gnss 网络 rtkcors 系统 与常规 rtk 相比具有作用范围广、精度高、野外单机作业等众多 优点，主要体现在：改进了 otf 初始化时间，扩大了有效工作的 范围；高效精度高，连续的基准站能提供实时的高精度动态定位 服务，用户能实时观测，提高工作效率：可靠性更高，抗干扰更 强，拥有完善的数据监控系统以及固定可靠的数据链通讯，能有 效地消除系统误差、周跳和减少噪声干扰；成本更低，不需要架 设基准站，实现单机作业；扩大应用范围，提供远程 internet 服 务，实现数据共享。建设永久性连续运行参考站系统 cors，提供 国际通用各式的基准站站点坐标和 gps 测量数据，满足各类不同 行业用户对精度定位，快速和实时定位、导航的要求，及时地满 足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾 减灾、交通监控、矿山测量等多种现代化、信息化管理的社会要 求。 7 结束语 由于 gpsrtk 技术在输电线路的测量中有着诸多优点，它有着 广阔的应用前景。利用 gpsrtk 进行输电线路测量凸显优势，是 输配电线路测量的一项突破性的技术革新，作为一种全新的测量 方式，它必将在输配电线路等工程测量中发挥巨大的作用。 参考文献： 1孔祥元.大地测量学基础m.武汉：武汉大学出版社， 2010. 2邓利平.论 gps 系统在建设工程测量中的运用分析j. 广东科技，2008（3）. 3管国斌.全球定位系统（gps）在工程测量中的运用j. 中国科技信息，2007（24）. 4刘付林.gps 系统在工程测量中的应用实例分析j.科技 致富向导，2011（17）. abstract: this paper outlines the basic structure of global positioning system（gps）and the measurement principle of gpsrtk