RTK-GPS测量中几种常见基准站设置方式对比研究-毕业论文

南阳师范学院20XX届毕业生毕业论文（设计） 题 目：RTK-GPS测量中几种常见基准站设置方式对比研究 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录摘要 (1)1.RTK-GPS概论 (1)1.1 GPS系统概述(1)1.2 RTK的基本原理 (1)1.3 RTK系统的的基本组成 (2)1.4 RTK系统的工作过程 (3)2 RTK测量中基准站的设置问题 (3)2. 1引言 (3)2.2基本原理(4) 2.2.1基准站工作原理 (4)2.2.2RTK工作原理(4)3 RTK-GPS测量中集中常见基准站设置方式对比 (5)3.1 RTK-GPS基准站常见设置方式 (5)3.2任意基准站 (5)3.2.1任意基准站方法的原理(5)3.2.2双基准站(5) 3.3 GPS RTK 虚拟基准站 (6)3.3.1常规GPS RTK 基准站法和GPS RTK 虚拟基准站法工作流程对比 （7)3.3.2GPS RTK 虚拟基准站法在测区的实际运用 (7)3.4单基准站 (7)3.4.1单基准站(7) 3.4.2单基准站RTK的工作原理 (8)3.4.3单基准站RTK 系统基本构成 (8)3.5网络基准站(9) 4结束语 (10)参考文献 (10)RTK-GPS测量中几种常见基准站设置方式对比研究 摘要：本文在对GPS全球定位系统进行了全面阐述的基础上，介绍了RTK-GPS技术的基本原理以及测量中几种常见基准站设置方式，以及它们的优缺点和这些仪器的适用范围，为我们今后的工程测量工作中提供了有意义的参考。 关键词:全球定位系统；RTK-GPS技术；基准站设置；工程测量1 RTK-GPS概论1.1 GPS系统概述 全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国从1973年开始筹建的，该系统可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。其主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。G P S的空间星座部分由2 4颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成；G P S的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括1个主控站、3个注入站和5个监测站；GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。将G P S用于测量有定位精确，观测时间短，应用广泛，可全天候作业，操作简便，测站间无需通视等特点，因此广泛用于导航、气象、测绘、军事领域。1.2 RTK的基本原理GPS RTK 测量即实时动态差分测量，也可以说是使用地面基站为接收和解算差分发送差分信息的原理，根据差分基准站发送的信息方式可将差分定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。也可以理解为RTK是根据GPS的相对定位概念，将一台接收机安置于己知点，即称基准站，另一台或几台接收机放置在用户移动台，如测量船、挖泥船，同步采集相同卫星的信号，基准站通过数据链实时将其载波观测值和测站坐标信息一起传送给用户移动台。利用相对定位原理，将这些观测值进行差分，削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，使实时定位精度大大提高。由此可知，RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，基准台传送的数据是伪距和相位的原始观测值，用户移动接收机利用相对测量方法对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出待测点的坐标。1.3 RTK系统的的基本组成RTK 系统主要由三大部分组成：一个参考站，若干个流动站和通讯系统。详见图 1。图1 RTK系统主要组成1.4 RTK系统的工作过程 详见图2 图2 RTK系统工作过程2 RTK测量中基准站的设置问题2.1.引言 随着3S技术的不断应用和普及,GPS定位技术在测绘行业中占有越来越重要的地位。而RTK是GPS应用的重大里程碑,广泛应用于工程放样、地形测图以及各种控制测量。时下RTK测量技术应用普遍,主要因为其测量模式和测量速度、精度比以往的测量方式有了很大的变革,据不完全统计, RTK测量的效率为常规测量的25倍,而其花费却为常规测量的2/3。我们都知道,GPS静态测量的方法是各个接收机独立观测,然后用后处理软件进行差分解算。那么对于RTK测量来说,仍然是差分解算,只不过是实时的差分计算。在日常RTK测量中,一般采用1+1或1+n的测量方式,在测量过程中,基准站的设置是非常重要的一个环节,我们暂且不考虑卫星钟误差、卫星星历误差、大气层延迟误差等因素的影响,如果基准站设置不正确,特别是1+n测量方式中,将对测量结果造成严重的错误。本文首先阐述了GPS单点定位及RTK的工作原理,应用此原理,说明了实际工作中在不同情况下的基准站设置的方法及应该注意的问题。2.2基本原理2.2.1基准站工作原理 GPS单点定位又称GPS绝对定位,即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS 84坐标系中相对于坐标系原点地球质心的绝对位置。GPS绝对定位又分为静态绝对定位和动态绝对定位。在1+n动态RTK测量中,基准站设置中的自动定位就是GPS静态绝对定位。单点定位原理:对4颗以上卫星同步观测就可以解算出接收机的位置XYZ和钟差t。 单点定位误差:mp=m0*PDOP式中,m0为伪距测量误差;PDOP为位置精度因子。 C/A码定位SPS标准定位服务:m0=30m 或 100m。 P码定位PPS精密定位服务:m0=510m。 值得注意的是:同一个点上架设的GPS接收机作为基准站,在不同的时间采用自动定位获得的WGS 84坐标值都存在差别,并不相同。因为在不同的时间,基准站所能接收到的观测卫星、电离层折射影响、对流层折射影响以及基准站架设的瞬时环境都不尽相同,基准站接收机接收到的定位数据信息都不相同,从而单点定位获得不同的三维位置信息。单点定位精度在510m。2.2.2RTK工作原理RTK测量是接收机观测的同时,能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,采用了载波相位动态实时差分(real-time kinematic)方法,即两台接收机(一台基准站,一台流动站)都在观测卫星数据,同时,基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号(或载波相位差分改正信号)发射出去;那么,流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号;在这两信号的基础上,流动站上的固化软件就可以实现差分计算,从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。3 RTK-GPS测量中集中常见基准站设置方式对比3.1 RTK-GPS基准站常见设置方式 GPS-RTK 测量即实时动态差分测量，基准站设置方式主要包括任意基准站、双基准站、虚拟基准站、单基准站和网络基准站。3.2任意基准站 任意架设基准站方法是一种比较灵活比较常用的方法,如果能够根据其原理灵活地运用并熟悉其优缺点,便可起到事半功倍的作用。3.2.1任意基准站方法的原理 RTK技术是在两台GPS接收机间加一套无线电通讯系统,基准站把接收到的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的一些信息(如基准站的坐标、天线高等),通过无线电通讯系统传送到流动站。在流动站完成初始化后,将基准站传送来的载波观测信号和本身收到的载波观测信号进行差分处理,实时求解出两站间的基线值,进而由基准站的坐标求得流动站的WGS-84坐标,通过坐标转换,即可实时求得实用的坐标并给出相应的点位精度。基于RTK的工作原理,流动站与基准站是一种相对的关系,流动站的绝对精度取决于基准站的绝对精度,而地方格网坐标与GPS工作坐标(WGS-84坐标)也是一种相对关系。因此,任意基准站法就是在不需要精确WGS-84坐标的时候利用这种相对关系。任意基准站法大概分两种情况:已有坐标转换关系和没有坐标转换关系。 GPS任意基准站法的优越性在于灵活机动,应用方便,高效且相对精度高。这一简单且高效的技术随着测绘的发展会得到广泛的应用。3.2.2双基准站 由于GPS RTK 技术具有快速、实用、简单、准确、高效等特点, 目前已被广大测绘工作者所普遍采用。但是在实际作业中, 由于受一些不可预见性因素及特殊地域、采集时段等多种条件的影响, GPS RTK 接收机采集到的数据有时会发生“理论上是正确的、实际上是错误的”所谓伪数据现象, 这种伪数据现象的出现一般都比较偶然,不易或者不能及时地被发现, 导致事后返工重测。为了确保GPS RTK 测量成果的正确可靠, 采用GPS RTK 双基准站的方法, 就可以有效地控制这种伪数据现象的发生, 从而提高工作效率。为验证GPS 接收机的性能，探索提高RTK定位精度和可靠性的方法，我们进行了双基准站RTK 测量实验，本次试验是以江浙某区域内所布设的43 个I 级点的GPS 网，作为RTK 实时动态测量定位试验网，观测采用TOPCONHIPER GD 双频RTK 接收机1+1 配置，即一台基准站与一台流动站。双基准站RTK 测量的提出是在目前单基准站RTK 测量缺乏检测条件和为满足高精度测量的要求下而提出来的，它的原理可以简单描述为单个基准站分两次(在不同的时间段)设置在两个不同的已知点上，两次都独立的进行坐标参数的转换和待测点的采集，对两次成果进行比较分析，如果两次的观测值之差在误差允许的范围内，就以两次观测成果的平均值作为最后的观测结果。双准站RTK 高程测量其平面精度与静态E 级网定位精度相当，能够满足四等水准测量的要求。而且双基准站RTK 技术的测量误差均匀、独立，减小误差积累，精度可信程度较高；双基准站RTK 能够实时地提供测量成果，不需要分级布网，可以大大减少生产成本，减轻作业员的劳动强度，提高测量速度和工作效益； 双基准站RTK 两次测量为等精度观测，但是双基准站RTK 是建立在单基准站RTK的基础上，所以它并不能完全消除单基准RTK测量的各种因素的影响。3.3 GPS RTK 虚拟基准站法 该方法的原理就是在测区的最高处架设一个RTK 虚拟基准站（该基准站的坐标是未知的，架设在测区最高处是为了解决基准站电台尽可能辐盖较远的范围），然后是流动站的设置。其次，流动站开始接收虚拟基准站的数据，注意必须保证所有流动站接收的基准站坐标一致。接下来就可以分开作业了。在作业过程中要安排至少2 个流动站采集4 个（含4 个）以上的已知点备用（采用2 个流动站采集已知点坐标是为了防止单台仪器出错所引起的粗差，也就是增加相互检核的条件）。最后就是内业的坐标转换，一般采用七参数的转换方法就可以了。使用该方法测量，我们是在10km 的半径范围内进行的实验的，如果超出10km 的范围，甚至于更大的范围内，使用该种方法其结果是否仍然能满足技术要求还需做进一步的研究，希望有兴趣的测绘同仁去试验和研究方能得出进一步的科学结论。在实际工作中还会遇见像放线这样的工作，必须要在已知点上设站才能完成这项工作，也可以通过GPS RTK 虚拟基准站法来实现。只是需要先通过采集已知点的坐标，进而完成虚拟基准站的参数转换，最终得到虚拟基准站的实际坐标，然后就可以像常规GPS RTK 那样作业了。由上可见，使用GPS RTK 虚拟基准站法极好地解决了常规GPS RTK 在工作中所存在的缺陷，大大地提高了GPS RTK 的工作效率。3.3.1常规GPS RTK 基准站法和GPS RTK 虚拟基准站法工作流程对比如下所示：（1）常规GPS RTK 基准站法（已知点）基准站 发送信号流动站 实时解算流动站点实际坐标（2）GPS RTK 虚拟基准站法（未知点）基准站 发送信号流动站 实时解算流动站点相对坐标 七参数转换流动站点实际坐标由以上的流程可以看出，GPS RTK 虚拟基准站法实际上就是先实时解算出流动站相对于基准站的相对坐标，以确定其转换关系，然后通过七参数转换的后处理办法，从而得到流动站的实际坐标。3.3.2GPS RTK 虚拟基准站法在测区的实际运用 某测区要利用GPS RTK 进行图根点的布测，主要分布在20 千米范围内的一条带状上。测区内仅有5 个四等点（3033、3035、G001、G255、G280），四等点仅有地方坐标系成果，无WGS-84 坐标，而且该5 个已知点都处在较低的地方，无法架设基准站，显然使用常规的GPS RTK 进行施测的话，难度极大，而且经费开支也会较大。现在我们利用GPS RTK 虚拟基准站法来解决该测区的实际问题。首先是在小比例的地形图上在测区中部选择一个较高的山头架设虚拟基准站，然后按照GPS RTK 虚拟基准站法的要求设置参数，进行野外站点的采集工作，最后是转换参数的计算。3.4单基准站3.4.1单基准站 单基准站（DGPS）1是“Differential Positioning”的简称，是一种用于改善定位和导航精度的技术措施、多基准站的局部区域差分网（LADGPS）和广域差分网（WADGPS）。RTK 是GPS 实时处理定位的简称RTK 为英文（RealTime Kinematic）的简写。这是一种将RTK 与数据传输技术相结合的实时载波相位测量的差分GPS定位，同时实时解算并进行数据处理，在1 2 秒时间内得到高精度位置信息的技术。其可分为：伪距法、位置法和载波相位法，其中伪距法、位置法精度只能达到米级，一般用于导航、水下测量，测绘生产主要采用载波相位法。3.4.2单基准站RTK的工作原理 根据上述，可知，单基准站的差分RTK GPS定位，是实时处理两测站载波相位测量的GPS 差分方法，该方法分为两类即修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给用户站，改正用户站的的载波相位，来求得坐标。差分法则是将基准站采集的载波相位发送给用户，由此用户再与本站的载波相位观测值进行求差解算坐标。由方法上可知修正法实际上是形式上的差分，差分法才是真正意义上的差分。所以我们叫修正法为准 单基准站RTK 系统结构和算法简单，技术上比较成熟，其关键技术是高波特率数据传输的可靠性和抗干扰性。该项技术精度也比较高，可以用于地形、地籍测量，但范围受到基准站到用户站距离限制。 单基准站RTK 的工作原理是将一台接收机设置于基准站上，另一台或几台接收机设置于载体（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，从而得到差分改正后的流动站较准确的实时位置。3.4.3单基准站RTK 系统基本构成 单基准站RTK 系统基本构成（以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS 双频接收机为例），其系统组成可分两部分，如图3所示。RTK 系统基准站的主要工作：通过观测求算出基准站坐标改正值或接收卫星的载波相位观测值，然后将改正值或载波相位观测值通过无线电数据链电台及时传递给流动站改正载波相位或与本站RTK 接收的载波相位进行求差解算测站的精确的实时坐标。GPS RTK 能否顺利实施，关键是无线电数据链传输的稳定性和可靠性。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、基准站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境、基准站与流动站作用距离等有关。图3单基准站RTK系统组成3.5网络基准站 多基准站2RTK是目前世界GPS精密定位研究的一个热点,市场前景很大。目前成熟的产品有Trimble的VRS软件系统,由德国的Landao博士主持开发,但数学模型和处理方法一直非常保密。澳大利亚新南威尔士大学的韩绍伟博士等也做过系统研究,提出了多站相位观测值的组合模型消除或削弱多种误差的思想1。在国内,也开始加强此方面的研究和建立网络RTK定位系统,如初步建成的深圳市连续运行卫星定位系统。总的来说,网络RTK的关键问题可分为2个方面,一是基准站的综合误差计算,主要是基准站的模糊度确定问题;二是流动站的综合误差消除与定位,主要是流动站的模糊度解算问题。只要基准站间基线模糊度准确确定了,便可得到高精度的综合误差,并用之来改正流动站相位观测值的综合误差,然后可较容易地计算出流动站的模糊度,得到流动站高精度RTK定位结果。具体细节将另文讨论,本文主要讨论第一个问题。由于网络RTK的基准站一般相距几十公里或上百公里,所以简单通过双差组合的方法是无法解算模糊度的,主要是因为电离层和对流层对双差3的影响远大于0.5周。如今年为太阳活动高峰年,有时仅电离层对20 km基线的双差影响的变化在20 min内竟高达35周。因此,即使在基准站坐标已知的情况下,由于距离比较长,电离层、对流层的影响比较大,要确定模糊度也并不容易。常用方法有用双频载波相位数据先进行宽、窄波和无电离层组合4,然后再分别确定L1和L2的整周模糊度。无论组合的顺序如何,这些方法都比较繁琐,在组合时会增加观测噪声,并且需要长时间观测。为了克服上述缺点,本文提出一种双频单历元长距离基准站整周模糊度搜索方法。长距离单历元观测即使在使用双频数据和测站坐标已知的情况下,也是无法解算整周模糊度的,因为除整周模糊度外,还有电离层、对流层等未知数,未知数个数仍多于方程个数,方程组秩亏,无法解算。本文的主要思想为:不解方程组,直接利用测站坐标已知、模糊度为整数和双频数据之间的关系这3个条件进行搜索。4结束语RTK测量方式为我们的测量工作带来了极大的方便,随着GPS的不断发展和普及, 1+nRTK测量的应用将更加普遍,了解其工作的基本原理,掌握其正确的使用方法是必须的。本文结合GPS单点定位及RTK的工作原理,对不同已知条件下,RTK测量中设置基准站的设置方法进行说明,并着重分析1+nRTK测量中,n台手簿在基准站设置中容易进入的误区,结合实验数据进行了分析说明,找出错误原因,最后得出正确的基准站设置方法5。参 考