毕业设计（论文）-浅谈GPS RTK技术在公路工程放样中的应用.doc

龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目： 浅谈GPS RTK技术在公路工程放样中的应用专 业： 测 绘 工 程班 级： 11测绘2班学 号： 2011092627姓 名： 罗志超指导教师： 贾秀丽 职称：讲师资源工程学院浅谈GPS RTK技术在公路工程放样中的应用资源工程学院 测绘工程2011092627 罗志超 指导教师 贾秀丽【摘要】本文主要阐述GPS定位技术的测量原理、RTK技术原理及GPS RTK组成部分和GPS-RTK作业流程，重点介绍GPS-RTK技术在公路放样的应用，例如，全站仪配合RTK测量、公路曲线放样的工作、公路桩位放样工作、原理及精度分析，结合经济效益分析来说明GPS-RTK技术在工程测量中有着不可代替的作用，最后总结对GPS-RTK在现代测量技术的体会。【关键词】GPS；RTK；公路放样；曲线放样 目录1.绪论1 1.1研究背景1 1.2研究现状1 1.3研究意义12.GPS测量原理1 2.1 GPS的组成部分1 2.2 GPS定位的基本原理1 2.3 GPS定位技术相对于常规测量技术的特点2 2.3.1观测站之间无需通视2 2.3.2定位精度高2 2.3.3观测时间短2 2.3.4动态测量技术高效2 2.3.5全天候作业3 2.4 RTK工作原理33.GPS RTK的作业方法和作业流程3 3.1 RTK常规测量的原理及流程3 3.2 RTK实地放样操作方法34.RTK公路工程放样实例分析3 4.1全站仪配合RTK放样方法3 4.2 RTK公路曲线主点放样方法4 4.3 RTK公路曲线放样实例45.GPS RTK测量精度分析7 5.1 GPS测量误差分类及改正7 5.2 GPS RTK在放样过程中应注意事项8 5.3线路中桩的全站仪放样与RTK放样点位精度对比86.GPS RTK放样的经济效益及作用87.结论9致谢语10参考文献11英文翻译121.绪论1.1研究背景全球定位系统（global positioning system）简称GPS，是美国国防于1994年研发的卫星导航系统，卫星数目24颗（3颗备用），可满足全球任何地方或近地空间测量、导航、测速、测时及授时，持续实时为用户提供空间坐标、且操作简易，使得GPS广泛地应用于生活的各个领域。1.2研究现状近年来，RTK测量技术的出现，使得GPS在测量行业的发展得到了飞跃，它可以实时的处理现在测量的大量观测数据、实地的进行质量检核，然后根据处理结果决定是否返测，相比于传统的测量技术的事后处理数据，效率十分明显，在野外测量中使用RTK测量可以达到厘米级，而且利用RTK测量，可以减少冗余观测时间，实地显示用户的三维坐标及精度，为工程放样带来了新的技术。1.3研究意义目前，GPS RTK技术已经遍及测量工程的所有领域，研究如何应用GPS RTK技术原理进行实地路线放样，可克服传统放样耗时间、耗经费的缺点，现RTK已普遍用于公路放样，工作者只需在手簿设置该公路的直线、点、缓曲、圆曲的参数及当地坐标系统等参数就可在实地上标定出相应的位置。经过反复测量的结果，全站仪放样点位精度与RTK放样的点位精度进行比较，充分证明RTK测量精度的有效性和可靠性，因此，研究GPS RTK公路测设，将为未来工程建设带来相当可观的经济效益。2.GPS测量原理 2.1 GPS的组成部分GPS定位系统由三部分组成，即GPS卫星（空间部分）、地面监控系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分），各组成部分功能可以简单理解为下表2-1：表2-1 GPS组成部分及功能GPS系统组成部分 各部分功能空间星座部分1.24颗卫星提供星历和时间信息；2. 发射伪距和载波信号；3. 提供其他辅助信息地面监控部分1. 中心控制系统；2. 实现时间同步；3. 跟踪卫星进行定轨用户设备部分1. 接收并观测卫星信号；2. 记录和处理数据3. 提供导航定位信息2.2 GPS定位的基本原理首先，GPS卫星可视为飞行的动态已知点，其发射的三种信号分量分别为载波、测距码和数据码，利用其载波较高精度的特点，将低频信号加载到高频率的载波上，在WGS-84坐标系中，确定GPS卫星到地面用户接收机天线相位中心的位置，在这过程中需要采取措施消除、减弱卫星传播中的误差，从而利用观测方向和观测距离参数，精确计算出用户接收机的所在区域。以空中飞行的三颗卫星定位为例：卫星1、卫星2、卫星3.分别位于空中不同位置，用户部分GPS接收机同时接受卫星1、卫星2、卫星3所发出的信号，计算三颗卫星分别与观测位置之间的距离，将卫星的瞬间位置的坐标转换成为卫星在地固坐标系下的（Xs，Ys，Zs），利用公式（2-1）确定用户位置： （2-1)则（Xr，Yr， Zr）为用户位置，为站星间的距离。其基本定位原理如下图2-1：图2-1 卫星基本定位流程图2.3 GPS定位技术相对于常规测量技术的特点2.3.1观测站之间无需通视传统测量仪器进行测量时需要观测站之间互相通视，观测距离有限而且在建筑物多的地区容易受到建筑物阻扰视线，因而需要分段测量和建造觇标,使用GPS观测，选点工作灵活，不用特意绕过障碍物，或破坏障碍物，可以显著提高效率和减少经费支出（一般觇标费用约占总经费的30%到50%），经济效益明显，但是在上区，或者高耸楼层，大树容易干扰卫星信号的强度，对于卫星空间结构差，容易造成卫星失锁，严重影响作业进行，所以使用GPS观测仪器应保持广阔的净空。2.3.2 定位精度高RTK可以进行的基本工作条件下，也就是50km的基线范围内，其相对定位精度可达厘米级，而且基线越长则精度会更高，并且误差不会进行累积，但在应特别注意高程异常分布的地区，误差较大，精度出现不均匀分布，但随着RTK自动化、高集成的发展，其精度的将越来越精确，目前在多于1000公里的基线上，精度有更好的突破。2.3.3观测时间短典型的静态定位方法，就是以三台RTK接收机同时观测，其中测量任意一条基线花费的观测时间约为一小时到三小时，由于测量过程中的复杂问题，在保障观测时间观测精度的前提下，可利用短基线（小于20km）进行相对定位，在10到20分钟就能完成基本定位。而动态定位，解决了传统搬站摆站作业效率极低的缺点，在点位校正以后，每点可以单人操作，放样时间每点为1到2秒。2.3.4动态测量技术高效由于集成化程度高的特点，流动站接收机内置多种测绘处理功能的专业软件，单人操作手簿，就能快速测量放样出设计点，其自动化技术的提高，比较传统摆放点点位中误差，在减少人为因素影响上，提高作业精度及其效率。2.3.5全天候作业卫星发射的电磁波信号，只要保持接收机天线不受空中阻碍影响，天上20多颗卫星全天候绕地球旋转，所以在任何时间段，至少能接收到4颗卫星的信号，对平台传输的SIM和GPRS信号是24小时不间断的，定位设备24小时通电所以能够全天候工作，这是相对于经典测量技术的重大突破。3. GPS RTK的作业原理和流程 3.1 RTK常规测量的原理及流程常规的RTK工作一般设有基准站和移动站，选择空间不受任何干扰的卫星信号位置，设置基准站GPS接收机，并对其进行相关设置，确保基准站能长期，无干扰的接收卫星信号，进而设置移动站，使得相对独立的接收机形成一个有机的整体。移动站负责将自身接收的卫星信号与接收基准站发送的载波信号进行差分处理，求得GPS坐标与实用坐标系间的转换参数，在误差允许的范围内，进行设计点点位校正，若精度可靠，即可继续测量其他未知点，其工作流程可以归纳以下几点：（1）工作小组携带相关仪器设备，查阅控制点已知资料，进入测区，将移动站接收机摆放于已知控制点上，严格对中整平仪器，进行移动站初始化。（2）在控制测区内，选择至少3个公共点，将WGS-84坐标系转化成本地坐标系，以南方RTK为例，只需在手簿输入该控制点的点位信息，将仪器摆放在控制点上，对中整平，进行点位校正，系统就会进行坐标系转换，将WGS-84坐标系转换成当地的坐标系统。接收机可以将当地的WGS84坐标转化为本地坐标的到当地的三维坐标。（3）进行野外作业时，先手簿上进行七参数设置，4个转换参数，三个平移参数，（七参数，y，z，m），本地中央子午线，量取天线高，其余参数的系统会自动设置好，在不费力费时的前提下，组中单人手持GPS接收机就可以快速测得工程所需点的坐标，完成作业。（4）选择合理的作业流程，避免在植被、高楼等建筑物对天不通视的地区，还有城镇发达地区干扰卫星信号传播的前提下进行RTK作业，利用相应辅助软件和常规GPS作业方法有机结合的特点，提高GPS RTK作业生产效率，以及发挥全站仪与RTK配合测量技术，进行测设。 3.2 RTK实地放样操作方法传统公路放样有很多种方法，RTK进行公路放样具有多功能，常规RTK放样，首先，要选择适宜地方设置基准站和移动站，在已知点进行点位校正，才能进行放样。在进行线路放样时，以平面坐标放样为例，在坐标转换后，即可输入放样点的点号或者坐标信息，然后根据相应的提示界面，进行解算，工作者就可以根据导航图，手持RTK天线，按照导航图指导的距离和角度，快速找到设计点的位置，标记所放样点，当在测量时突现RTK失锁，可在前一点进行初始化，即可重新进行放样。4.RTK公路工程放样实例分析4.1 全站仪配合RTK放样方法采用RTK放样方法，虽然具有放样点位的坐标的时间短，和无通视的环境下，可以无视障碍物进行点位放样，放样精度高、节省工作人员等优点，但是在现实工程建设中，很难避免在测量区域内对天通视，例如，高楼、茂密林地很容易影响接收机接收卫星信号，这些情况容易使RTK失锁，严重影响观测成果精度的要求，在此情况下，工程建筑一般采用全站仪来观测。因此，全站仪配合RTK放样可避免同一地区测量结果精度受损问题，有效提高工程作业的效率要求，使得工程得到完善。例如下图4-1所示，A点受到林荫遮挡，无法对天通视，此时RTK放样精度达不到要求，而B、C两点为平原地带，无树荫遮挡，这时可以先用RTK放样出点B、C的三维坐标，让B、C点作为已知控制点，在B点处，摆放全站仪，对中整平，C点作为后视点，进行后视点定向，再根据全站仪提示的走向，移动棱镜，即可放样出A点。图4-1 全站仪配合RTK放样4.2 RTK公路曲线主点放样方法 公路曲线测设：图4-2 测设曲线图（1） 图4-2带有缓和曲线的曲线测设，圆曲线的半径为R，两端缓和曲线长均为L0，曲线的转向角为，式中T、L、E、Q的意义同圆曲线R、 L0、一起，为曲线综合要素。M为切垂距，P为圆曲线内移植，0为缓和曲线的切线角。 曲线综合要素计算及主点测设： 带有缓和曲线的圆曲线，其主点为直缓点（ZH）、缓圆点（HY）、曲中点（QZ）、圆缓点（YH）和缓直点（HZ），再根据曲线主点测设资料T、L、E，与单圆曲线主点测设一样，用RTK实地定出ZH、HY、QZ、YH和HZ各点坐标。4.3 RTK公路曲线放样实例测区概况：以某条公路曲线为例，曲线转角=2300337.7”、圆曲线半径R=1000m、缓和曲线长L0=100m、路线前进的偏向（又偏为1）、JD的里程为1462.918m。计算得到曲线综合要素为：切线长T=254.083m、曲线长L=502.481m、外矢距E=210022m、切曲差2T-L=5.684m。计算得到各主点里程为：ZH=1208.835m、HY=1308.835m、QZ=1460.075m、YH=1611.316m、HZ=1711.316m。设计坐标为：ZH（84678.761,12221.766），JD（84753.510,11978.927）和设站导线点坐标（84618.761,12271.765）、后视导线点坐标（84707.070,11902.864）及边桩距d=20m。计算出中桩及左右边桩的设计坐标和极坐标放样元素，下图表为曲线坐标及放样数据：表4-1 各桩位坐标及放样数据里程桩位 设计坐标 放样数据 X/m Y/m水平角（。”）水平距离/m1100左边桩84627.62712319.900156 06 0348.945中桩84646.74212325.784139 09 1460.836右边桩84665.85712331.668128 21 4676.2001250左边桩84671.91812176.411 15 40 33109.170中桩84690.98212182.456 25 29 57114.856右边桩84710.04712188.502 34 10 09123.5551400左边桩84726.66912034.046 10 57 09261.064中桩84744.76612042.561 15 20 15261.557右边桩84762.86312051.076 19 40 51263.5701650左边桩84862.62711819.261 14 51 32514.034中桩84878.15011831.873 17 03 50510.674右边桩84893.67211844.484 19 17 41508.0801800左边桩84959.33011704.105 17 29 58661.986中桩84974.61311717.006 19 12 57659.081右边桩84989.89511729.907 20 56 46656.773可以南方RTK为例，进行公路曲线放样和线路设计。首先进入南方RTK手簿的（工程之星），如下图4-3，分别有工程、设置、测量、工具和关于等菜单，先进行线路设计，点击所有菜单，分别查找与公路设计相关的的选项，设置道路要素，坐标系统及参数，先进行已知点点位校正：图4-3 道路要素设置选项图其次，进行新建线路，重新编辑路名、起点里程、间隔、文件路径等后点击新建按钮，如下图4-4：图4-4 线路设计最后进行线路参数输入，分别为点、直线、圆曲、缓曲四种参数，如下图4-5：图4-5 曲线要素输入图根据手簿中的坐标数据，选择所需放样的点，即可进行放样。5. GPS RTK测量精度分析5.1 GPS测量误差分类及改正 用户是通过接收天上卫星发射的信号来确定所在位置的坐标，所以首先GPS测量误差来源应先考虑GPS卫星本身的误差，由于卫星在运行过程中受到多种摄动力的影响，在星历预报时有较大的误差，严重影响到单点定位的精度，削弱卫星星历误差，可以利用用户自己建立的GPS卫星跟踪网进行独立测轨，国内已有VLBI/SLR站作为基础研究的档案，或者采用轨道改进法，将星历预报给出的星历参数进行平差模型处理，求得接收机位置坐标，和接收时的轨道偏差改正数。其次，在用户接收到卫星信号的过程中，卫星信号受到转播路径各种介质的影响，信号到达用户接收机的过程中，通过影响程度较大的大气电离层和对流层，使得GPS信号传播速度和信号传播路径产生变化和弯曲，使得载波相位和测量伪距产生误差，这时可以利用双频观测量和建立电离层改正模型或用两台接收机在基线两端进行同步观测，使得载波相位与测量伪距得到有效的处理，还可以选择有利的观测时间段，在大气中离子影响较弱的时刻进行观测，提高测量精度。改正多路径效应误差有效的方法可分为两大类：（1）于适宜地区建立观测站，保持对天通视，不受发达城区电磁波影响的地方进行设站。（2）在接收机天线设置抑径板或使用有极化特性较强抑制信号反射作用的材料安置在接收机上。通过查阅有关精密GPS测量误差，在地球学动力研究的过程中，我们可以引用相应距离误差来描述各种误差来源对传播中卫星信号的影响程度，如下表5-1为GPS测量误差分类及对距离的影响：表5-1 GPS测量误差分类对距离的影响项目 误差来源 对距离测量的影响/m卫星部分星历误差；钟误差；相对论效应 1.5至15信号传播电离层；对流层；多路径效应 1.5至15信号接收钟的误差；位置误差；天线相位中心变化 1.5至5其他影响地球潮汐；负荷潮 1.05.2 GPS RTK在放样过程中应注意事项在大量工程建设中，公路、铁路、桥梁等放样工程中，RTK放样以明显的简便快捷的优点取代全站仪的施工放样，RTK的实时定位技术不仅精度达到厘米级，大大减少传统放样控制点的数量，搬站设站的繁琐，其主要测量速度由初始化时间决定的，提高初始化时间速度，使得工程更加高效。用全站仪测设时，要沿途布设图根控制点，建立大型控制网，其工作效率完全达不到RTK放样的效率，但是在利用RTK放样同时，为了减少测量误差，提高作业精度，在测量点、线、面时应注意以下几点：（1） 在使用RTK测量时，应尽量避免手机通话，和使用对讲机，或其他电子产品对RTK接收信号的影响；（2） RTK在测量高程时的精度远比水平精度低，尽量避免高程异常对测量结果的影响，在公路放样中应进行高程精度检核，已达到工程标准；（3）参考站应建设宽广的平面上，远离城区，和反射较强的大面积水平面，在对空绝对通视的环境下，进行测量，当测量时卫星突然失锁，应返回前一点，在进行检查，若精度还达不到要求，再进行初始化；（4）为防止卫星运行轨道误差的影响，流动站距参考站应小于10公里，测站周围500米范围内，不得有发射电台，或航空导航雷达，尽量提高参考站的天线高度控制好基流站站与站之间的距离。5.3线路中桩的全站仪放样与RTK放样点位精度对比表5-1 线路中桩点位放样精度对比图里程全站仪放样点坐标GPS放样点坐标坐标差值/mm X/m Y/m X/m Y/mxy 110084646.74012325.78584646.74212325.784-2+1 125084690.98312182.45884690.98212182.456+1+2 140084744.76512042.55884744.76612042.561-1-3 165084878.14511831.87484878.15011831.873-5+1 180084974.61111717.00784974.61311717.006-2+1由上表先用全站仪实测道路中桩坐标，与RTK放样最大平面坐标差为6mm，可证实RTK精度在公路工程放样中的可靠性。6.GPS RTK放样的经济效益及作用工程放样就是把设计好的平面坐标与高程在实地标记出来，传统放样仪器有水准仪、经纬仪、全站仪，随着经济发展，对于一些施工现场环境复杂不能通视，及省市级体育馆、建网程序复杂的工地、飞机场、路线长度以公里计算的工程，水准仪、经纬仪、全站仪已经无法或者不能在短时间完成工程放样任务，近几年来高精度GPS实时动态定位技术RTK的快速发展，其测量范围现已提升至30km，工作范围与定位精度还在不断提高。它是一种全天候、全方位的新型测量系统，精确快捷的定位出任何地区的三维坐标，工作效率提高，放样任务由多人变成单兵作业， RTK GPS技术的发展离不开其软硬件的开发与完善、及通信设备等。现今在土地资源调查、图根控制测量、地形控制测量、碎部测量、地籍房地产测量等得到广泛的应用和青睐，其带来的经济效益也就不言而喻了。另外，使用GPS RTK进行放样也存在其不足之处，使用RTK放样工作，需要在四周比较空阔的平地，隔离障碍物的GPS信号的干扰，RTK放样速度快，点号多，所以要进行适当的内业处理数据。目前各生产单位表明，RTK放样精度已从20世纪80年代几米的精度达到现在的厘米级精度，虽然RTK的精度高，但是在外业测量时，要注重基准站位置的选择，观测时应摸清仪器的特性，阅读有关的说明书，选择合理的作业时间、作业流程，弥补RTK技术的不足之处，进而提高作业效率。7.结束语综上所述，应用GPS RTK进行工程放样测量，操作简便，作业效率高，要想完全占据市场主导地位，必先要完善其软件系统、硬件、通讯设备，进而提升观测精度和作业范围，由于现在工程追求高效率和高质量，传统的放样仪器在站点与站点的不通视性、地表复杂、以及测量追求时间效率，工作效率的条件下，已不适应当今的经济发展需求，经过长期市场调查逐渐地反映GPS RTK测量技术在现代测量中的主导地位，所以提高其精度和质量是我们现在该研究发展的任务。致谢语本次论文完成的时间大约一个月左右，其中在选题方面和资料的收集上都经过贾秀丽老师的严格把关，并且提出了相关的意见，在论文的修改过程中，贾秀丽老师提出的一些意见，使得我的文章更更加的紧凑和具有逻辑性，在这里我要说一声感谢。再者是资源工程学院的老师们，这四年来无谓风雨，兢兢业业的传授我相关的专业知识，让我能够的顺利毕业。谢谢你们老师。最后要感谢的是，在大学生涯中一直陪伴在我身旁的舍友，我们在一起经历了很多美好的回忆，我希望我们毕业后都有理想的前景！ 参考文献1 齐秀峰. 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