[毕业论文]RTK技术在实际工程测量中的应用.doc

毕业设计 毕 业 论 文 毕业题目： GPS-RTK技术在工程测量中的应用 学 生： 李鹤 指导教师： 专 业： 道路桥梁工程系 班 级： 道桥1304 2015年11月毕 业 设 计开 题 报 告专 业 道路桥梁工程系设计方向 GPS-RTK技术的应用姓 名 李鹤指导教师审查意见： 指导教师签字： 年 月 日RTK技术在实际工程测量中的应用一、选题的背景与意义背 景：随着我国经济快速发展铁路建设速度也不断加快。铁路工程有其自身特点：长条状，坡度少，在施工测量工作中对测量控制网的布设带来诸多困难，常规控制测量既要考虑网行，点的密度，通视条件，费工又费时同时精度还难以保证。RTK-GPS技术的成熟及在实际工程测量中的运用很好的解决了这些问题同时也为我国铁路大提速插上了腾飞的翅膀。意义：RTK技术运用在实际工程测量中不仅提高了测量精度缩短了施工工期，而且还节约了工程成本。RTK技术应用于铁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。尤其实时动态(RTK)定位技术在铁路测量中蕴含着巨大的技术潜力。 二、毕业设计的主要内容它主要包括以下内容：1RTK技术原理2RTK技术概述3RTK测量特点4RTK技术应用5RTK优缺点6RTK在实际工程测量中的影响 毕业设计 设计题目 GPS-RTK技术在工程测量中的应用 指导教师 专 业 道路桥梁工程系 学 生 年 月 日GPS-RTK技术在工程测量中的应用摘 要GPS技术应用于铁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。尤其实时动态(RTK)定位技术在铁路测量中蕴含着巨大的技术潜力。本文简要介绍了GPS RTK技术的原理，结合其在工程测量中的应用，对RTK技术的优缺点及影响RTK精度的因素进行了分析并提出了相应的应对措施。关键词：RTK技术；RTK测量；RTK作业模式；精度；方便 第 16 页 共 16 页目 录摘要1 绪论 811什么是RTK技术 81.2 RTK技术推广运用的主要方向82 GPS-RTK在工程测量中的应用及影响 92.1 GPS原理 92.1.1 GPS技术概述 92.1.2 GPS测量特点 92.1.3 GPS技术应用102.1.4 GPS-RTK技术在工程测量中应用的优点112.1.5 影响GPS-RTK精度的因素及应对措施112.1.6 应用体会133结束语14参考文献GPS-RTK技术在实际工程测量中的应用1 绪论1. 1 什么是RTK 技术RTK定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS定位技术，实施动态测量。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，同时通过输入的相应的坐标转换参数和投影参数，实时得到流动站的三维坐标及精度。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、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，它采用了载波相位动态实时差分（Real - Time Kinematic 实时动态差分）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，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。在整周末知数解固定后，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。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。1.2 RTK技术推广应用的主要方向1、双星系统（GPS+GLONASS双系统导航定位）是GPS RTK发展的热点，它可接收14-20颗卫星左右，是常规RTK所无法比较的，该技术使GPS设备具备最短时间达到厘米级精度的能力与最强的抗干扰遮挡能力。2、VRS（Virtual Reference Station虚拟参考站）正在改善着RTK定位的质量和距离，增强RTK的可靠性，并减少OTF初始化的时间。VRS技术，可以在50Km左右时使RTK定位平面位置精度为12cm，并无需设立自己的基准站。其应用领域将逐渐涵盖陆地测量、地籍测量、航空摄影测量、GIS、设备控制、电子和煤气管道、变形监测、精准农业、水上测量、环境应用等诸多领域。 2 GPS-RTK在工程测量中的应用及影响2.1 GPS-RTK原理全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过10多年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管理、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。2.1.1 GPS-RTK技术概述实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术的结合，是GPS测量技术的一个新突破。RTK测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分。GPS测量技术，其基本思想是：在基准站上设置1台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续的观测，并将其观测数据通过无线电传输设备实时地发送给用户观测站。在用户站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地解算整周模糊度未知数并计算显示用户站的三维坐标及其精度。通过实时计算的定位结果，便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，实时地判定解算结果是否成功，从而减少冗余观测量，缩短观测时间。2.1.2 GPS测量特点 GPS系统的特点，相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，在小于50 km的基线上，其相对定位精度可达110-6，在大于1 000 km的基线上可达1108。测站间无需通视。GPS测量不需要测站间相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。观测时间短。随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20 min左右，动态相对定位仅需几秒钟。仪器操作简便。目前GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，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。全天候作业。GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，来确定待测点的位置。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得高精度的结果，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，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整周模糊度的搜索求解。在固定整周未知数以后（得到固定解），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。 RTK 系统可应用于两项主要测量任务，即测点定位和测设放样。在基准站和流动站协同工作的情况下，用户携带流动站系统，在测区往来行走，对特征点进行采点测量。任何性质的点都可做定位测量，如道路的中线、池塘的周边、路灯杆位和建筑物拐角等。测点可以是原有的境界标记，也可是需要首次定位的新标记。这一功能使RTK 最适合于在测图和放样中应用。RTK 系统可用于地形测量、面积测量和建筑测量，也可以用于测量料场及土石方工程量计算。测设放样任务只能在 GPS 的 RTK 操作模式下完成。某一物体的放样包括对定义该物体所在位置的一点或多点的定位。取得某一点的坐标后，用户需要在地面上找到与该坐标对应的确切位置。传统的做法是，全站仪测定持杆员的当前位置，并指挥其行进一定的距离后最终到达正确的位置。而RTK 流动站操作员行进中则可观察掌上电脑屏幕来确定自己的当前位置。掌上电脑存有目标点的坐标。由于 RTK 系统已知其当前位置和要寻找的目标点位置，系统可给用户导向到正确位置。这一功能使得 RTK 成为非常有效的放样工具。任何物体都可由RTK来测设放样，如道路、输电线路、油气管线、DTM及地下管线等等。在大多数这类测量中，RTK系统比传统全站仪系统的效率要高很多，而且只需单人操作。在博兴县地形测量中，运用了RTK技术进行图根控制测量，探索了一条进行大面积图根控制测量的新路子。2.1.3 GPS技术应用1控制测量为满足城市建成区和规划区测绘的需要，城市控制网具有控制面积大、精度高、使用频繁等特点，城市、级导线大多位于地面，随着城市建设的飞速发展，这些点常被破坏，影响了工程测量的进度，如何快速精确地提供控制点，直接影响工作的效率。常规控制测量如导线测量，要求点间通视，费工费时，且精度不均匀。GPS静态测量，点间不需通视且精度高，但需事后进行数据处理，不能实时知道定位结果，如内业发现精度不符合要求则必须返工。应用RTK技术将无论是在作业精度，还是作业效率上都具有明显的优势。2.像控点测量像控点测量是航空摄影测量外业主要工作之一，传统的方法要布设大量的导线来测量部分平高点，内业再空三加密。采用RTK技术测量，只需在测区内或测区附近的高等级控制点架设基准站，(若测区内或测区附近无高等级控制点，可先加密)，流动站直接测量各像控点的平面坐标和高程，对不易设站的像控点，可采用手簿提供的交会法等间接的方法测量。像控点的精度要求对于RTK测量来说是不难达到的。与传统作业相比较，它不需要逐级布设控制点;与静态GPS测量相比，缩短了作业时间，因而大大提高了作业效率，功效至少提高35倍。3.线路中线定线RTK测量技术用于市政道路中线或电力线中线放样，放样工作一人也可完成。将线路参数如线路起终点坐标、曲线转角、半径等输入RTK的外业控制器，即可放样。放样方法灵活，即能按桩号也可按坐标放样，并可以随时互换。放样时屏幕上有箭头指示偏移量和偏移方位，便于前后左右移动，直到误差小于设定的为止。4.建筑物规划放线建筑物规划放线，放线点既要满足城市规划条件的要求，又要满足建筑物本身的几何关系，放样精度要求较高。使用RTK进行建筑物放样时需要注意检查建筑物本身的几何关系，对于短边，其相对关系较难满足。在放样的同时，需要注意的是测量点位的收敛精度，如果点位收敛精度不高的情况下，强制测量则有可能带来较大的点位误差。在点位精度收敛高的情况下，用RTK进行规划放线一般能满足要求。5.用地测量在建设用地勘测定界测量中，RTK技术可实时地测定界址点坐标，确定土地使用界限范围，计算用地面积，在土地分类及权属调查时，应用RTK技术可实时测量权属界限、土地分类修测，提高了测量速度和精度。6.其他方面测量RTK技术还可用于地形测量、水域测量、管线测量、房产测量等方面。用RTK测图，可不用布设图根控制，仅依据少量的基准点，即可直接测定地形地物点坐标，如果用专业测图软件，通过电子手簿记录即可实现数字化测图。在水下地形测量是，RTK能自动导航和按距离或时间间隔自动采点，只要将天线高量至水面，加水深改正后，即可高精度的实时测定水下地形点的三维坐标，由专业软件成图。2.1.4 GPS-RTK技术在工程测量中应用的优点（1）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，历时不足一秒钟。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。在整周末知数解固定后，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。 （2）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。 （3）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“电磁波通视”和对天基本通视，因此，和传统测量相比，RTK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。 （4）定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。不同于全站仪等仪器，全站仪在多次搬站后，都存在误差累积的状况，搬的越多，累积越大，而RTK则没有，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。 （5）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10km半径左右的测区，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，提高了测量效率。2.1.5 影响GPS-RTK精度的因素及应对措施在实际作业过程中，我们发现影响RTK精度的主要因素有：（1）基准站坐标精度 由RTK的工作原理可知，如果基准站的坐标精度较低，流动站得到的三维坐标都带有系统偏差，因此，基准站坐标具有较高的精度非常重要。（2）坐标转换参数精度 求解坐标转换参数至少需要三个已知公共点，其精度不仅与测区内选择的公共点的位置和数量有关，还与选用的已知公共点的坐标精度有密切关系。（3）作业环境 参考站的选择要合适，参考站要远离大功率无线电发射台、变电站、飞机场、高压线等无线电干扰源，远离大面积水域，防止GPS信号的多路径效应影响。（4）人为因素 测量员作业的熟练程度，在作业时，如果屏幕显示不是固定解就记录数据，会使测设点的精度很低，甚至出现错误；如果接收机天线未保持垂直，测设的成果就不可取，人为地降低了测设点坐标精度；如果电瓶电量不足，也会降低流动站测设的坐标的精度和可靠性。为提高GPS RTK测设精度，需要采取必要的措施：基准站尽量选在较高的位置，要适当提高基准站发射天线的高度；联测的控制点尽量采用已建成的国家高等级GPS点、三角点或在一个控制网内经过统一平差的GPS点，数量要尽量多；根据卫星星历预报，选择几何图形强度较小、卫星数量较多且分布较好的时间段进行测设；适当延长在每个测设点的观测时间，以确保测出的数据是固定解并且将流动站天线尽可能保持垂直；将流动站的作业半径控制在10公里以内，若想提高作业距离，可用定向天线，定向天线可以使信号集中在某一个方向上，这样当将天线指向正确的方向时能明显的提高作业距离，或者也可以选择电台中继站，即在适当的距离增设一台中继站电台，中继站电台一边接收来自基准站发射来的数据，一边发射这些数据，这样也能明显的提高作业距离，供电电瓶一定要有足够的电量；求取转换参数时，应严格检查各控制点的坐标，并仔细检查坐标转换栏的H残差和V残差值，看其数值是否在规定的允许范围内。当然RTK也有其局限性，了解其局限性可确保RTK测量成功。最主要的局限性其实不在于 RTK 本身，而是源于整个GPS系统。如前所述，GPS依靠的是接收两万多公里高空的卫星发射来的无线电信号。相对而言，这些信号频率高、信号弱，不易穿透可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。事实上，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生不良影响。有些物体如房屋，会完全屏蔽卫星信号。因此, GPS不能在室内使用。同样原因, GPS也不能在隧道内或水下使用。有些物体如树木会部分阻挡、反射或折射信号。GPS信号的接收