毕业论文浅谈GPS实时动态定位原理及在地籍测量中的应用.doc

沈阳农业大学高等职业技术学院毕 业 论 文浅谈GPS实时动态定位原理及在地籍测量中的应用学生姓名：学 号：专 业：工程测量班 级：指导教师：李娜2010年 6月浅谈GPS实时动态定位原理及在地籍测量中的应用目录一、 摘要-3二、 引言-3三、RTK概述-43.1、RTK的工作原理-43.2、RTK的系统组成-5四、RTK系统基准站的组成和作用-6五、RTK流动站的组成和作用-8六、RTK定位测量的准备工作-10七、架设基准站-11 第1页 7.1、架设基准站-117.2、启动基准站-137.3、启动流动站-147.4、开始测量-15八、GPS RTK技术在地籍测量中的应用-158.1GPS RTK技术的基本特点-168.2GPS RTK运用于地籍测量-168.3应用体会-19九、GPS网络RTK技术(VRS系统)-199.1、概述-209.2、VRS系统的构成与工作原理-219.3、VRS系统的优势-22十、结束语-22十一、参考文献-24第2页一、摘要 介绍了GPSRTK的工作原理和RTK系统的组成，并阐述了流动站工作范围与RTK定位精度的关系，对RTK的初始化过程、RTK相对于静态定位增加的设备及应用、基准站与流动站信号传输过程及新技术在地籍测量中的应用情况作了详细的说明。最后阐述了VRS的系统构成及工作原理以及VRS的优越性。 关键词：RTKVRS基准站流动站数据链路电台二、引言 随着我国经济的高速发展，为了满足工程施工、测绘等工作的需要,采用GPS实时动态定位技术的测绘系统逐步进入我国市场。采用传统GPSRTK（Real-Time-Kinematic）技术的测绘系统的数据链路电台，必须经过无线电管理部门批准才可设置使用，但在此前的几起此类设备所造成的无线电干扰案例中，所查获的无线电台均未向无线电管理部门申报。目前这类设备使用时所造成的无线电干扰越来越多，因此无线电管理部门应该加强对这类设备的管理。而增加对GPSRTK技术的了解和认识，将会对查处工作及无线电管理工作大有帮助。第3页三、RTK概述 RTK（Real-Time-Kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算并进行数据处理，在12秒时间内得到高精度位置信息的技术。 3.1RTK的工作原理 RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。 精密GPS定位均采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值传输给流动站(DGPS)，这些都称为相对技术，以采用值的类型为依据可分为4类： （1）实时差分GPS，其精度为1m3m； 第4页 （2）广域实时差分GPS，其精度为1m2m； （3）精密时差分GPS，其精度为1cm5cm； （4）实时精密时差分GPS，其精度为1cm3cm。 差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类。前两类定位误差的相关性，会随基准站与流动站的空间距离的增加而迅速降低。故RTK采用第三类方法。 RTK的观测模型为： 因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射的影响在实际的数据处理中一般采用双差观测值方程来解算，在定位前需确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（OnTheFly即OTF）。实现OTF的方法有很多种，美国天宝导航有限公司的做法是：采用伪距和相位相结合的方法，首先用伪距求出整周未知数的搜索范围，再用相位组合和后继观测历元解算和精化；利用伪距估计初始位置和搜索空间，快速确定精确的初始位置。 3.2RTK的系统组成第5页 我们以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例介绍RTK系统组成。 天宝RTK系统由两部分组成，如图1所示。图1 天宝RTK系统组成 四、RTK系统基准站的组成和作用 RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成，如图2所示。图2 RTK系统基准站的组成 RTK系统基准站的作用是求出GPS实时相位差分改正值，然后将改正值通过数传电台及时传递给流动站以精化其GPS观测值，进而得到更为精确的实时位置信息。 GPSRTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。 一般数据链电台采用400MHz480MHz高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站第6页接收天线之间没有遮挡信号的障碍物。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。 为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链电台的发射天线，应距离GPS接收天线至少2m，最好在6m以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。 电台所使用的频率和电台功率必须经过国家和当地无线电管理部门批准，使用时可能会受到某些限制。 RTK数据链无线电发射机（TRIMMRK）的工作频率为UHF频段（400MHz480MHz），当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加，如下式所示：公式在哪？你在逗我玩呢？ 发射距离（半径）（2）。 式中：4.24天宝公司的经验值； H1电台的天线高度； 第7页 H2流动站的天线高度。 我们通过举例来说明流动站工作范围的计算过程。例：天宝4800GPS接收机使用的TRIMMRK无线电数据链电台发射功率为25W，电台天线高度为9m，流动站的天线高度为2m，试计算流动站工作的最远距离? 解：已知H1=9m，H2=2m，流动站在开阔地带工作的最远距离为: 发射距离(半径)。 需要指出的是，该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值。根据经验，在城市环境中，只有架设在高楼顶上，无线电数据链电台发射距离才可能达到10公里。 无线电数据链电台发射功率为25W，其耗电量大，因而直流电源的电流应大一些，一般选择12V/60A或12V/120A为宜。五、RTK流动站的组成和作用 流动站的UHF电台接收基准站的信号，同时也接收相同的卫星信号，用配备的TSC1控制器进行实时解算。 流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。第8页 基准站GPS接收机与TRIMMRK电台之间的数据传输波特率为38400，TRIMMRK电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400（见图3）。图3 RTK系统流动站的组成 为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对。选择的控制点应有代表性，并均匀地分布在整个测量区。 （1）若基准站安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其他坐标系）。 （2）若基准站安置在未知点上，（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启动基准站时，则需输入该点的WGS84坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其他坐标系）。 求得WGS84坐标的方法是：开机后，在TSC1控制器上进行初始化操作，然后按here键即可求得该点的WGS84坐标。 （3）虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测量第9页区内必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关。在放置好基准站并启动流动站后，用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比较，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须输入该点的原有坐标。 六、RTK定位测量的准备工作 RTK定位测量的准备过程如下： （1）外业踏勘。 （2）收集资料。 （3）制订观测计划。 （4）星历预报。 （5）器材准备：经检定合格的GPS接收机基准站+流动站（含TSC1）一套;12V/60A电源（含充电器），数据链电台一套;手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个）;每台GPS接收机配观测记录手簿第10页一本。 （6）运输工具：自备汽车或租车。七、RTK的作业方法 7.1架设基准站 将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，架设电台和天线。 启动基准站，在TSC1控制器中进行如下操作： 按on/off键，打开TSC1控制器，则其自动调用主菜单。 选择Files(文件)来建立新工程如下： （1）建立新工程：给工程起一个文件名。 （2）选择工程管理（Jobmanagement）并确认。（3）在选择坐标系统窗口中选用手工键入参数第11页（Keyinparameter）。 （4）在键入参数窗口中设置投影参数（Projection）。 （5）在输入椭球参数窗口中选择： 投影方式TransverceMercator(横轴墨卡托投影)。 Falsenorthing（北偏）0.000m(北偏为0)。 Falseeasting（东偏）500000.000m(东偏500km)。 originlat(纬度)00000.0000N。 centralmeridian1140000.0000E(当地中央子午线经度)。 scale（尺度比）1.000000。 semimajoraxis6378245.000m(BJ54椭球长半轴)。 第12页Flattening（扁率分母）298.300000。 若在同一测区，椭球参数只需输入一次即可，如再进入其他测区，则需重新输入其他测区的椭球参数。 （6）在键入参数窗口中选择输入转换参数，有以下三种情况： Notransformation（没有4坐标，则选此项。 Threeparameter（三参数）若基准站有BJ54坐标，则选此项，此时将测区的参数输入即可，也可输入0。 Sevenparameter（七参数）一般不考虑。 到此，一个新工程项目建立完成。 7.2启动基准站 点击TSC1控制器Survey（测量）图标，进入测量方式菜单。（1） 在（SurveyStyles）测量工作方式菜单中选TrimbleRTK（实 第13页时动态）。 （2）在（Survey）测量菜单中选Startbasereceiver（启动基准站）。 （3）显示连接接收机后，输入基准站所在控制点的名称、天线高度。若控制器已储存该点的坐标可直接按Start（F1键）；若控制器没有该点坐标信息，则按here（F3键）求得该点的WGS84坐标（伪距），然后按回车键直到高程变化趋于稳定，然后按Start（F1键）即可。 当提示控制器可以离开接收机，即表示基准站已启动，可以将基准站接收机上的电缆插头拔下（可带电插拔）。但此时控制器并不显示电台的标志，只有启动流动站后才会显出电台标志。 7.3启动流动站 将TSC1控制器上的电缆插头插入流动站GPS接收机，在（Survey）测量菜单中选StartSurvey（开始测量），此时在TSC1控制器的窗口下部即显示如图4所示画面。 图4中，4800表示TSC1控制器所连接的GPS接收机型号；卫第14页星图标中的“5”表示搜索到的卫星颗数，RTK测量时不能少于5颗；电台图标中若两个小灯交替闪亮，则表明无线电数据链已连接；“H”和“V”分别代表水平和高程精度；“PDOP”代表空间位置精度因子值；当RTK=FIXED（固定解）时，初始化完毕，可以开始测量；当RTK=float（浮点解）时，初始化不成功，必须等RTK=FIXED时方可测量。 7.4开始测量 RTK测量一般有以下几步操作： （1）测量点（Measurepoints）。 （2）连续的碎部点的采集（Continuoustop）。 （3）输入方位、距离、计算不可到达的点位（Offsets）。 （4）放样（Stakeout）。八、GPS RTK技术在地籍测量中的应用第15页8.1GPS RTK技术的基本特点我单位所使用的仪器为南方测绘仪器公司生产的9800型双频接收机，其精度指标为： 实时RTK平面精度2cm2ppm高程精度为5cm1ppm作业距离达15KM，该仪器集成性能较好，主机、电源、数传电台一体化，整机功率低，17AH基站蓄电配2个锂电可连续工作12小时，RTK基站自动智能设置，移动站一键飞梭。 GPS RTK技术系统配置包括以下三部分：1、基准站接收机；2、移动站接收机；3、数据链。基准站接收机设在具有已知坐标（也可无已知坐标，地势较高）的参考点上，连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站的坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，移动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，通过OTF（On The FLY）算法快速求解载波相位整周模糊度，通过相对定位模型获取所在点相对于基准点的坐标和精度指标。 8.2GPS RTK运用于地籍测量 由于松原地区地处平原，可以充分发挥RTK技术的优势，此次测量任务主要以吉林油田为主，采油井数量多、分布广，短时间内需将其所有地籍图绘出来，如没有像RTK这样的技术是很难完成的。应用RTK技术可测定每一宗油井的权属界址点及一些地物点的位置，并能达到厘米级精度。第16页8.2.1基准站的选定和建立 基准站的安置是顺利进行RTK测量的关键，所以在选址时应注意以下几点： （1）、避免选择在无线电干扰强烈的地区； （2）、基准站站址及数据链电台发射天线必须具有一定的高度； （3）、为防止数据链丢失以及多路径效应的影响，周围无GPS信号反射物（大面积水域、大型建筑物等）。 8.2.2外业施测 外业人员在基准站架好仪器即可开始测量了，一般为两人一组，一人在基准站上，一人背着仪器到每个界址上立杆并记录数据，一般取3秒作为一个记录单元，在记录数据时要求测量人员立点要准确，尽量稳住对中杆，同时画出草图，以便内业整图时提供参考。 8.2.3作业方法及步骤 （1）、选择好坐标系：你当前已知点是什么坐标系就采用什么坐标系，不清楚的可采用国家基本坐标系。 （2）、设置好投影参数：知道已知点坐标中央子午线的，采用实际中央子午线，不知道的则选取择当地经度作为中央子午线，X常数用0，Y常数用500000，投影尺度比用1。 （3）、使七参数和转换参数都处于OFF态。 （4）、设置基准站，有两种情况：第17页 A、基站设在非已知点上： 待基站架设完毕，并已开始单点定位，输入基准站坐标时，按Tab键获取单点定位坐标作为基准站坐标，高程如果相差太大，可以用估计的值输入。B、基站设在已知点上：待基站架设完毕，并已开始单点定位，进入碎部点测量，按Tab键存储一个坐标，设点名为Pr1。进入基准站坐标输入，输入基准站坐标时，按R键获取已测点坐标Pr1为基准站坐标。设制好RTK工作方式和发射间隔后，设成基准站工作方式。 （5）、A情况时，分别到测区的两个已知点上（两已知点距离要尽量远，且已知点要有足够的精度），进入碎部点测量，在RTK Fixed下分别存储到点名Pr1和Pr2（注意要输入天线高）。 B情况时，到测区的另一个已知点上（两已知点要有足够的精度），进入碎部点测量，在RTK Fixed下存储到点名Pr2。 （6）、进入“求转换参数”，按T键取出Prt1坐标，按R键取出Pt1坐标，按Enter键进入取第二点坐标，按T键取出Pt2坐标，按R键取出R2坐标， 按Enter键转换参数计算完毕，并自动存储到“转换参数”中，进入转换参数，查看转换参数，打开转换参数。 （7）、重测P1或P2点坐标，检查点坐标是否与已知点一致（在2cm误差内），有条件的还可以到第三已知点去检验转换参数的正确性。第18页8.2.4内业处理外业测量存储的RAT文件是专用的数据库文件，不可直接用来给成图软件调用，用“测点成果输出”功能可以把RAT文件转换为用户所需要的格式。转换后的格式与我们所用软件CASS50软件格式相一致，结合外业的草图，从而快速地完成数字化内业成图工作。 8.3应用体会8.3.1GPS正在越来越多的测量工作中得到应用，其在地籍测量中的应用就是一例，RTK技术与其它测量仪器和测量方法相比具有不能比拟的优势。 8.3.2RTK方式出现后不要马上开始测量，要等GPS稳定约20分钟左右才能开始测量，否则将有较大的误差，代入记录数据后，如正常工作以后则其记录方式不受影响。8.3.3电台信号不能太远，根据我们几年的作业经验，RTK的范围以不超过10KM为原则，否则解算速度、精度等都大受影响。 8.3.4利用RTK进行地籍测量，不受天气、地形、通视等条件的限制，工作效率比传统方法提高34倍。 8.3.5利用RTK技术比传统方法大大节省人力。九、GPS网络RTK技术(VRS系统) 第19页9.1概述（1）GPS实时差分定位RTK技术的缺点 用户需要架设本地参考站。误差随距离的增加而增长。 误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般小于15公里。 精度为1cm+1ppm，可靠性随距离增大而降低。 （2）虚拟参考站方案中VRS的特点与技术优势 虚拟参考站方案中，VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，这改变了以往GPS作业“单打独斗”的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，使其精度和可靠性得到进一步提高，最重要的是建立GPS网络的成本降低了很多。 由于VRS技术的种种先进性，一经问世就受到世界各国的广泛关注，并得到积极的实施。德国、瑞士等一些国家的VRS网络已经建成。我国深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统，在深圳经济发展、城市信息化和数字化发挥着重要作用。第20页9.2VRS系统的构成与工作原理VRS系统集GPS、Internet、无线通信和计算机网络管理技术于一身。整个系统由若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站和一个GPS网络控制中心构成。 （1）VRS的系统构成 VRS的系统构成由GPS固定基准站系统、数据传输系统、GPS网络控制中心系统、数据发播系统和用户系统等五部分组成。 （2）VRS的工作原理 一个VRS网络由三个以上的固定基准站组成，站与站之间的距离可达70km，固定基准站负责实时采集GPS卫星观测数据并传送给GPS网络控制中心，由于这些固定基准站有长时间的观测数据，故点位坐标精度很高。固定基准站与控制中心之间可通过光缆、ISDN或普通电话线相连，将数据实时传送到控制中心。 GPS流动站先向控制中心发送标准的NMEA位置信息，告之其概略位置，控制中心收到信息后重新计算所有GPS数据，内插到与流动站相匹配的位置，再向流动站发送改正过的RTCM信息。流动站可位于VRS网络中的任何位置，这样RTK的系统误差就将被消减。可以看出，VRS系统实际上是一种多基站技术，它在处理上利用了第21页多个参考站的联合数据。 9.3VRS系统的优势 （1）VRS系统的覆盖范围较大。 （2）相对传统RTK，提高了精度。 （3）可靠性提高。 （4）更广的应用范围。 VRS技术的出现，标志着高精度GPS进入了一个新的发展阶段。这种网络RTK技术，应用了最先进的多基站RTK算法，极大地扩展了GPS的应用领域。十结束语 本文简要介绍了RTKGPS技术