RTK在工程测量中的应用.doc

1 GPS RTK 在工程测量中的应用研究 2 目目 录录 摘 要 4 第 1 章 绪 论 5 1 1 GPS 发展现状 5 1 2 课题研究的目的和意义 6 1 3 课题研究的主要内容 6 第 2 章 全球定位系统 GPS 技术和 RTK 技术 6 2 1 GPS 系统的组成 6 2 3 GPS 的特点 8 2 4 RTK 系统的组成 9 2 5 RTK 技术的应用 9 2 6 GPS RTK 技术的特点 11 第 3 章 GPS RTK 测量作业方式 12 3 1 GPS RTK 系统的工作原理 12 3 2 GPS RTK 的基本配置 12 3 3 GPS RTK 作业要求 12 3 4 GPS RTK 作业模式 13 3 5 GPS RTK 仪器状态设置 13 3 6 坐标系统的转换方法 14 3 7 GPS RTK 测量的几种作业方式 15 3 7 1 不同起算条件下的 GPS RTK 作业方式 15 3 7 2 不同坐标系统下的 GPS RTK 作业方式 16 3 8 GPS RTK 测量作业方式的选择 17 3 9 提高 GPS RTK 精度的方法与措施 17 第 4 章 GPS 在工程测量中的应用 17 4 1 概述 17 4 2 GPS 测量的布网特色与布网方法 18 4 2 1 GPS 测量的布网特色 18 4 3 GPS 在工程测量中的应用 19 3 4 4 GPS 在工程测量中的应用实例 20 4 4 1 测区基本概况 20 4 4 2 技术指标 20 4 4 3 平面控制网的布设 21 4 4 4 选点埋石 21 4 4 5 外业观测 21 4 4 6 GPS 数据处理 22 第 5 章 结论 23 5 1 几点体会 23 参考文献 25 4 摘摘 要要 GPS Global Positioning System 全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫 星导航与定位系统 其应用技术已遍及国民经济的各个领域 它是以卫星为基础的无线电 卫星导航定位系统 具有全能性 全球性 全天候 连续性和实时性的精密三维导航与定 位功能 而且具有良好的抗干扰性和保密性 因此 GPS RTK技术率先在大地测量 工程测 量 航空摄影测量 海洋测量 城市测量等测绘领域得到了应用 本文将介绍GPS在工程控 制测量中的应用 并提出几点体会 关键词关键词 GPS GPS RTK 工程测量 工程控制测量中的应用 5 第1章 绪 论 1 11 1 GPSGPS 发展现状 全球定位系统 GPS 是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System 的字头缩写词 NAVSTAR GPS 的简称 它的含义是利用导航 卫星进行测时和测距 是目前最先进 应用最广泛的卫星定位系统 是美国从 20 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 具有在陆 海 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 GPS 是一种全新的空间无线电导航系统 它不仅具有全球性 全天候和连 续的精密三维定位能力 而且能实时地对运动载体的速度 姿态进行测定以及 精确授时 GPS 是现代科学技术发展的结晶 已成为导航技术现代化的里程碑 早在 1990 年的海湾战争中 尽管 GPS 系统尚未全部建成 但它从根本上 解决了空中 陆地 和海上运载体的定位和导航问题 为美军及其盟军部队预 测打击敌人 正确引导部队迅速穿越沙漠 占领预定目标以及效率极高地提供 后勤救援发挥了前所未有的重要作用 现在 美国 日本 德国等发达国家在国内建立了大量 GPS 综合应用网络 如 美国的连续运行参考站网络系统 CORS 美国 CUE ACCQPOIN T 公司的广 域定位导航服务网络 加拿大的主动控制网系统 CACS 德国的卫星定位与 导航服务计划 SA2POS 日本的 GPS 连续应变监测系统 COSMOS 等 随着我国信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展 电子政 务 电子商务 数字城市 数字省区和数字地球的工程化和现实化 需要采集 多种实时地理空间数据 几年来 国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的 卫星定位连续运行网络 其中著名的有中国地震局牵头建设的中国地壳运动监 测网络 交通部建设的沿海差分站网络系统 信息产业部建立的电离层监测网 络 国家测绘局建立的连续运行参考框架网络 部队建设的连续跟踪站网络等 目前 为满足国民经济建设信息化的需要 一大批城市 省区和行业正在筹划 建立类似的连续运行网络系统 特别是具有多种功能的综合服务系统 如深圳 北京 上海 四川 昆明 香港 天津等城市 我国 GPS 综合服务系统的建设 现已进入快速发展时期 在测绘 军事国防 智能交通 邮电通信 地矿 煤矿 石油 建筑以及 农业 气象 土地管理 环境监测 金融 公安等部门和行业 在航空航天 6 测时授时 物理探矿 姿态测定等领域 我国做了大量的 GPS 研究工作 在静态 定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究 研制开发了 GPS 静 态定位和动态高精度定位软件以及精密定轨软件 随着我国现代化的进程速度 越来越快 对 GPS 的需求也越来越多 GPS 也会发掘出巨大的功能潜力 使 GPS 具有更大 更广阔的发展空间 1 21 2 课题研究的目的和意义 GPS RTK技术作为测绘领域内的高科技技术 已经为测绘提供了有力的测 量定位手段 特别是GPS RTK测量技术的发展和推广 使得GPS测量技术真正开 始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作的新阶段 扩大了GPS测 量的应用领域 课题的目的探讨了GPS技术和GPS RTK技术的组成 应用及特点 作为新技术GPS RTK 课题就其在工程测量应用方面的可行性将做出探究 证实 1 31 3 课题研究的主要内容 载波相位差分技术即RTK技术 它是建立在全球定位系统 GPS 基础之上 的实时动念定位技术 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 是GPS应用的重大里程碑 它的出现为各种控制 测量 地形测图 工程放样及海洋 地籍测量带来了新曙光 极大地提高了 外业作业效率 课题将在工程测量方面 结合实践做出一番探究 第 2 章 全球定位系统 GPS 技术和 RTK 技术 2 12 1 GPSGPS系统的组成 GPS Global Positioning System 是美国研制的导航 授时和定位系统 它由 三部分构成 一是地面控制部分 由主控站 负责管理 协调整个地面控制系 统的工作 地面天线 在主控站的控制下向卫星注入导航电文 监测站 数 据自动收集中心 和通讯辅助系统 数据传输 组成 二是空间部分 由 24 颗 卫星组成 分布在 6 个轨道平面上 三是用户装置部分 主要由 GPS 接受机和 卫星天线组成 用户只需购买 GPS 接受机 就可享受免费的导航 授时和定位 服务 7 GPS 系统的空间部分有 21 颗工作卫星及 3 颗备用卫星组成 它们均匀分布 在 6 个相对于赤道的倾角为 55 度的近似圆形轨道上 每个轨道上有 4 颗卫星运 行 它们距地面的平均高度为 20200km 运行周期为 12 恒星时 GPS 卫星星 座均匀覆盖着地球 可以保证地球上所有地点在任何时刻都能看到至少 4 颗 GPS 卫星 2 22 2 GPSGPS 的应用 GPS 定位系统的主要目的是用于导航 收集情报等军事目的 GPS 信号可 以进行海 空和陆地的导航 导弹的制导 而且用 GPS 卫星发来的导航定位信 号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位 米级至亚米级精度的动态 定位 亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量 1 GPS1 GPS 在大地测量中的应用 对于测绘领域 GPS 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测 量控制网 测定全球性的地球动态参数 也可用于改造和加强原有的国家大地 控制网 可用于建立陆地海洋大地测量的基准 进行海洋测绘和高精度的海岛 陆地联测 用于监测地球板块运动和地壳形变 在建立城市测量和工程测量的 平面控制网时 GPS 已成为主要方法 GPS 还可用于测定航空航天摄影的瞬间位 置 实现仅有少量的地面控制或无地面控制的航测快速成图 导致地理信息系 统 全球环境遥感监测的技术革命 2 2 在工程测量方面 应用 GPS 静态相对定位技术 布设精密工程控制网 用于城市和矿区油田 地面沉降监测 大坝变形监测 高层建筑变形监测 飞机场轴线定位 地铁精 密导线测量 隧道贯通测量等精密工程 3 3 在航空摄影测量方面 我国测绘工作者也应用 GPS 技术进行航测外业控制测量 航摄飞行导航 机载 GPS 航测等航测成图的各个阶段 可以极大地减少地面控制点的数目 缩 短成图周期 降低成本 4 在其他领域中的应用 在地球动力学方面 GPS 技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测 在水下地形测量中应用 GPS 卫星定位技术 可以快速 高精度地测定测深仪的 位置 还有在公安 交通系统中给车辆 轮船等交通工具的导航定位提供了具 体的实时定位能力 在农业领域中应用差分技术对土壤养分分布调查 监测作 物产量 合理施肥 精确农业管理以及在林业管理和旅游中的应用 8 今后 GPS 就像移动电话 传真机 计算机互联网对我们生活的影响一样 人们日常生活将离不开它 2 32 3 GPSGPS的特点 GPS 定位技术自从应用于测量工程 就以其特有的自动化 全天候 高精 度的显著优势令经典大地测量刮目相看 具体表现在以下几个方面 1 选点灵活 在经典大地测量中 即要求点位之间的良好的通视条件 又要求点位形成 良好的图形结构 这是长期困扰选点工作的难题 而 GPS 定位既不要求点位之 间通视 又对点位图形结构没有过苛要求 使点位的选择极为灵活 2 精度高 实践已经证明 在 1000km 的距离上 相对定位精度可以达 10 8 在 100 500km 的距离上 相对定位精度可以达到 10 6 10 7 在小于 50km 距离上 相对定位精度可以达到 10 6 而另一方面 又无须建造测量高标 它们的优越 性是经典大地测量工作无法攀比的 3 操作简便 GPS 定位的自动化程度很高 作业人员只限于安置仪器 开关仪器 量取 仪器高和监视工作状态 其他如卫星捕获 跟踪观测 数据采集等均由仪器自 动完成 加之仪器本身质量轻 体积小 携带方便 大大降低了作业难度 提 高了功效 其次 GPS 定位的结果 可以直接提供点的三维坐标 不仅可以精 确确定点的平面位置 也为研究大地水准面的形状和确定地面点高程开辟了新 途径 4 全天候作业 GPS 定位不受天气条件制约 可以在任何时间 任何地点从事作业 加之 观测时间缩短 速度加快 便利了人们对测量工程的统筹安排 使工程计划具 有较大的可行性 为准确 快速地提供测绘成果成为可能 随着科学技术的进步和应用需求的增加 GPS已从当初的性能单一发展到 今天的广泛应用 GPS以其独特的 强大的功能 涉足于国民经济的各个领域 尤其是近几年来向消费市场发展的势头很强 它已进入我们的日常工作 学习 生活和娱乐之中 GPS已成功地应用于大地测量和城市控制网 正在试验应用于民用飞机的 航线导航和精确进场着陆 应用于陆地车辆的智能交通指挥与管理 应用于地 球资源勘察 大型工程项目设计测量与形变监测 应用于航测与卫星遥感等 9 GPS技术的高精度和自动化深刻地影响着地球动力学 大地测量学 天文学及 其相关学科领域 它在这些基础学科的应用研究与开拓工作方面都取得了迅速 的发展和卓越的成就 展示了GPS巨大的优势和潜力 在21 世纪GPS将继续成 为军民两用的系统 既要更好地满足军事需要 也要扩展民用市场和应用的范 围 GPS技术在各方面的应用正在蓬勃发展 可以相信 它正在向军用 民用 及其他各个领域不断渗透与应用 也必将朝者更宽广的范围和更深刻的层次迅 速发展 随着全球定位系统的不断改进 硬 软件的不断完善 应用领域正在不断 地开拓 从其发展趋势看 GPS卫星定位技术也更加深入和普及测绘领域 从 而给测绘领域带来一场深刻的技术革命 2 42 4 RTKRTK系统的组成 RTK系统主要由一个参考站 即基准站 和若干个流动站组成 1 基准站的组成 GPS接收机及其天线 用于接收GPS卫星信号 无线电传输设备 包括电 台 手机通讯模块及发射天线 用于发射基站无线电信号 电子手簿 用于 设置基准站和电台的各项参数 2 流动站的组成 GPS接收机及其天线 用于接收GPS卫星信号 无线电接收电台及其天线 用于接收基站电台发射的无线电信号 电子手簿 用于设置流动站和接受电台 的各项参数 通过手簿进行各项测量工作的操作 2 52 5 RTKRTK技术的应用 1 在控制测量中的应用 传统的大地测量 工程控制测量采用三角网 导线网方法来施测 不仅费 工费时 要求点间通视 而且精度分布不均匀 且在外业不知精度如何 采用 常规的 GPS 静态测量 快速静态伪动态方法 在外业测设过程中不能实时知道 定位精度 如果测设完成后 回到内业处理后发现精度不合要求还必须返测 而采用 GPS RTK 来进行控制测量 能够实时知道定位精度 如果点位精度要求 满足了 用户就可以停止观测了 而且知道观测质量如何 这样可以大大提高 作业效率 如果把 GPS RTK 用于公路控制测量 线路控制测量 水利工程控制 测量 大地测量则不仅可以大大减少人力强度 节省费用 而且可大大地提高 工作效率 测一个控制点在几分钟甚至几秒钟内就可完成 在过去测地形图时 10 一般首先要在测区建立图根控制点 然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪 配合小平板测图 现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码 利用大 比例尺测图软件来进行测图 甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等 都 要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点 这些碎部点都要求与测站通视 而 且一般要求至少 2 3 人操作 需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返 测 现在采用 GPS RTK 仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上 3 5 秒钟 并同时输入特征编码 通过手簿可以实时知道点位精度 把一个区域测 完后回到室内 由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图 这样用 GPS RTK 仅需一人操作 不要求点间通视 大大提高了工作效率 采用 GPS RTK 配 合电子手簿可以测设各种地形图 如普通测图 铁路线路带状地形图的测设 公路管线地形图的测设 配合测深仪可以用于测水库地形图 航海海洋测图等 等 GPS RTK 做控制测量的一般方法是 先选取一个已知点作为基准站 一般 这个点是选用观测条件比较好 精度比较高的点 在基准站上安置一台 GPS 接 收机并连好电台设备 将基准站的 WGS 84 坐标和地方坐标值输入 GPS 控制手簿 在测区选取分布均匀的 3 个以上的点 在 GPS 手簿中输入这些点的 WGS 84 坐标 和地方坐标系坐标 手簿内置软件会自动计算控制点的坐标转换参数 在流动 站观测采用快速静态模式 将 GPS 流动站安置在待定点上进行观测 流动站 GPS 接收 GPS 信号的同时还接收来自基准站电台的信号 将载波相位观测值进 行实时差分处理从而计算出流动站的坐标值 这时将在 GPS 手簿上实时显示点 位坐标值及其精度 当精度达到要求时即可保存观测数据停止观测 时间一般 只需要 3 5 min 根据各生产单位的大量实践表明 用 GPS RTK 进行控制测量 能够达到厘米级精度 一般都应该在 1 2cm 以内 与传统控制测量相比 GPS RTK 测量具有效率高 误差累积少 各流动站之 间不存在误差累积 的优点 在一些精度要求不太高的控制测量中被广泛应用 2 GPS2 GPS RTKRTK 在碎部测量中的应用 用GPS RTK进行地形测图碎部测量可以不进行图根控制而直接根据分布在 测区的一些基准点进行各碎部点的测量 安置好基准站并输入必要已知数据 基 准点坐标 参考点坐标等 后即可进行碎部测量 GPS RTK碎部测量与传统全站仪测量的人员配备不同 传统全站仪测量一个 作业组至少3人 GPS RTK测量只需一人 另一人看守基准站即可 传统全站仪 测1 1000地形图时一天能测量约800点 困难地区只有其一半 而用GPS RTK一 天能测1200点以上 大大提高了测量效率 同时RTK测量可以全天候进行 并且 11 可以多个流动站同时进行碎部测量 效率可以成倍提高 而传统全站仪测量虽 然一组可以多人跑镜但只能一人操作仪器 因而其速度提高是有限的 此外 传 统全站仪测图需频繁搬站 消耗了大量时间 而GPS RTK测量则不受基准站和流 动站之间的地物影响 设一基准站后可在半径10 km内采集任意碎部点 在能观测 到4颗以上GPS卫星的前提下 由于GPS RTK测碎部点的快速与高效性 被广泛 应用到一些特殊工作环境的测量中 如水上测量等 3 GPS3 GPS RTKRTK 在放样工作中的应用 放样是测量一个应用分支 它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计 好的点位在实地给标定出来 过去采用常规的放样方法很多 如经纬仪交会放 样 全站仪的边角放样等等 一般要放样出一个设计点位时 往往需要来回移 动目标 而且要2 3人操作 同时在放样过程中还要求点间通视情况良好 在 生产应用上效率不是很高 有时在放样中遇到困难的情况下需借助于很多方法 才能放样 如果采用RTK技术放样 仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿 中 背着GPS接收机 它会提醒你走到要放样点的位置 既迅速又方便 由于 GPS是通过坐标来直接放样的 而且精度很高也很均匀 且只需一个人操作 因而效率会大大提高 2 6 GPS RTK技术的特点 1 作业效率高 在一般的地形地势下 高质量的GPS RTK设站一次即可测完 4km半径的测区 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 在一般的作业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 提高了劳动效率 2 定位精度高 数据安全可靠 没有误差积累 只要满足GPS RTK的基本工 作条件 在一定的作业半径范围内 一般为4km GPS RTK的平面精度和高程精度 都能达到厘米级 3 降低了作业条件要求 GPS 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 因此 和传统测量相比 GPS 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GPS RTK的基本工作条件 它就能轻松地进行 快速的高精度定位作业 4 GPS RTK作业自动化 集成化程度高 测绘功能强大 GPS RTK可胜任 12 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 第3章 GPS RTK测量作业方式 3 1 GPS RTK系统的工作原理 GPS RTK测量时 基准站将接收到的所有卫星信息及其基准站信息一起由 通讯系统传送给各流动站 各流动站在接收卫星数据的同时还接收基准站传 送的信息 当流动站完成初始化工作后 控制器即可根据接收到的信息实时 计算并显示出流动站的点位坐标 GPS RTK测量同样是基于WGS 84地心坐标系统 其全部观测值及解算结果 均属于WGS 84系统 我国目前采用的是1980年国家大地坐标系 也有仍采用 以前的1954年北京坐标系或各种区域性坐标系统 因此必须将GPS RTK测量所 得到的WGS 84坐标系成果转换为国家或地方坐标系成果 要实现这种转换就 必须准确知道地方坐标与WGS 84坐标间的转换参数 平移因子 尺度因子 旋 转因子 这是GPS RTK测量时必须首先解决的重要问题 它与GPS RTK测量的 作业方式有着直接关系 3 2 GPS RTK的基本配置 GPS RTK系统的组成主要包括 2台 或多台 GPS接收机 数据传输设备 相关处理软件 GPS接收机目前主要是用双频机 数据传输设备目前形式较多 主要是无线电台的形式 在城市车载系统中也提出用目前分布较广的GSM信 号作为数据传输载体 电台发射信号半径的大小将直接影响GPS RTK的作业范 围大小 处理软件目前各厂家的产品不同 但其基本功能必须满足以下要求 1 快速解算整周未知数 2 解算用户站在WGS 84下的坐标 3 坐标系统和高程系统转换 13 4 对解算的质量进行评价与分析 5 结果的显示与绘图 3 3 GPS RTK作业要求 GPS RTK测量中 要求 1 能接收5个以上的GPS卫星 2 迁站过程中不能关机 不能失锁 3 必须能同时接收到GPS卫星的信号和基地站播发的差分信号 星数问题限制了GPS RTK技术的应用范围 在城镇高楼区 山地林荫区等 凡所测星数少于5个时 GPS RTK测量就会遇到困难 将来 当GLONASS卫星 全部组网 投入生产后 困难会少些 迁站过程中不能关机 不能失锁 不能关机容易做到 不能失锁则很难 当迁站过程中经过树下 立交桥下 隧道里时 都可能引起失锁 失锁后 必 须重新初始化 即重新确定整周模糊值 确定整周模糊值的时间和可靠性 取 决于四个因素 单频机或双频机 所测星数 至基站的距离 GPS RTKRTK软件 质量 3 4 GPS RTK作业模式 根据用户的要求 目前实时动态测量采用的作业模式 主要有 1 快速静态测量 采用这种测量模式 要求 GPS 接受机在每一用户站上 静止地进行观测 在观测过程中 连同接受到的基准站的同步观测数据 实时的解算整周未知数 和用户站的三维坐标 如果解算结果的变化趋于稳定 且其精度已满足设计要 求 便可适时的结束观测 采用这种作业模式时 用户站的接受机在流动过程 中 可以不必保持对 GPS 卫星的连续跟踪 其定位精度可达 1 2cm 2 动态测量 同一般的准动态测量一样 这种测量模式 通常要求流动站的接收机在观 测工作开始之前 首先在某一起始点上静止地进行观测 以便采用快速解算整 周未知数的方法实时的进行初始化工作 初始化后 流动的接收机在每一观测 站上 只需静止观测数个历元 并连同基准站的同步观测数据 实时地解算流 动站的三维坐标 目前 其定位精度可达厘米级 该方法要求接收机在观测过 14 程中 保持对所观测卫星的连续跟踪 一旦发生失锁 便需重新进行初始化工 作 3 动态观测 动态测量模式 一般需首先在某一起始点上 静止地观测数分钟 以便进 行初始化工作之后 运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测 并 连同基准站的同步观测数据 实时地确定采样点的空间位置 这种测量模式 仍要求在观测过程中 保持对观测卫星的连续跟踪 一旦发生失锁 则需重新 进行初始化 这时 对陆上的运动目标来说 可以在卫星失锁的观测点上 静 止地观测数分钟 以便重新初始化 或者利用动态初始化 AROF 技术 重 新初始化 而对海上和空中的运动目标来说 则只有应用AROF技术 重新完 成初始化的工作 目前 其定位的精度可达厘米级 3 53 5 GPSGPS RTKRTK 仪器状态设置 以Leica350型GPS接收机为例说明 数据链参数设置 参考站及流动站数据链信息 DATA LINK MESSAGES 应 设置为ON状态 并将信息的输入 输出 MESSAGEINPUT OUTPUT 设置为实时 码 相位输出 RTIME CODE PHASE OUT 通讯口的编号应设置为3号口 数据采集参数设置 参考站和流动站均采用压缩记录格式 COMPACTED 系统为每一个历元对卫星的观测值提供经过平滑处理后的结果 采样率一般为1 2s 数据记录参数 参考站的RECORDOBSERVISIONS一般设为NO 需要进行 数据采集后处理工作时 则应设为YES 存储坐标格式 STORE COORD AS 可以 为平面直角坐标 GRID 或WGS 84大地坐标 精度指标 REQUIRED COORD QUALITY 根据自己的要求进行设置 若星历情况良好 无遮挡物 仪器能够将精 度指标控制在0 02m范围之内 精度指标可设为0 03m 亦可依测量精度的要求 将 其点位坐标精度限制范围放大一些 流动站的RECORD OBSERVISIONS根据自 己的作业要求进行设置 可以根据距离 时间进行采样记录 流动站的其他数据 记录参数与参考站设置相同 3 63 6 坐标系统的转换方法 动态 GPS RTK 测量是以基准站为中心 其它流动站 或称为移动站 相对 基准站的相对定位 GPS 使用的是 WGS 84 坐标系 而生产中往往使用的是国 家坐标系或地方坐标系 以下简称测区坐标系 因为坐标系的不同 必须先求其 15 转化参数 才能得到所需坐标系的坐标 测量时 基准站的一系列数据为已知数 据 基准站和各流动站同时对同一组卫星进行观测 观测后基准站及时把所观测 的信息及已知数据通过无线电波分别传送至各流动站 各流动站在收到基准站数 据的同时 迅速进行基线解算 平差 坐标系统转换 最后显示所测点的测区坐 标 应用这一原理 动态 GPS 测量 RTK 可以及时准确的测得每一待测点的坐标 动态 GPS RTK 测量首先要通过 4 个以上点的 WGS 84 坐标和测区坐标系 坐标 计算本测区的各项转换参数 转换参数直接关系到测量成果的准确性 因 此 计算转换参数时要认真仔细 然后 选择基准站的架设位置 基准站应架设在 测区中央周围无遮挡物的已知点上 此时 即可启动基准站开始测量 流动站到 达待测点后开机 等待接收机初始化 初始化完成后 即开始测量 接收机接收到 所设定的历元数后 这一点的测量过程即完成 显示该点的三维坐标 其它各点 的测量重复进行即可 直至所有点观测完成 整个观测过程简单 易于操作是动 态 GPS RTK 测量的又一重要特点 3 73 7 GPSGPS RTKRTK测量的几种作业方式 GPS RTK系统的作业方式非常灵活 基准站采用静态作业模式 可以安 置在己知点上 也可以安置在待定点上 流动站采用动态作业模式 可以处 于静止状态 也可以处于运动状态 可在一固定点 不一定为己知点 上先进 行静态初始化再进行动态作业 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 3 7 13 7 1 不同起算条件下的GPSGPS RTKRTK作业方式 在进行GPS RTK测量时 起算点的己有坐标数据情况往往不尽相同 有 的己知点可能同时具有WGS 84世界大地坐标系坐标 以下简称84坐标 和1980 年国家大地坐标系坐标 以下简称80坐标 或1954年北京坐标系坐标 以下简称 54坐标 可以求解两系统坐标转换参数 而大多数的已知点可能只具有80坐 标或54坐标 还不能直接求解坐标转换参数 特殊情况下也可能待定点只需 要84坐标即可 因此在具体作业方式上会有所不同 对于已知点同时具有84坐标和80坐标或54坐标的工程项目 可以在RTK 系统中直接输入已知点的两套坐标 选用合适的坐标转换模型 通过公共点 匹配求解坐标转换参数 检验合格后保存采用 此时要求基准站必须安置在 已知点上 而且应输入已有的84坐标 以保证84坐标的一致性 流动站比较 灵活 可以直接到待定点上流动观测 也可以先到个别已知点或已测点上进 16 行检核测量 以核对坐标转换参数的正确性 对于已经布设GPS RTK控制网 的工程项目 一般都可以按此种作业方式进行 对于已知点仅具有80坐标或54坐标的工程项目 必须先测定已知点的84 坐标 为求解坐标转换参数所用 此时要求基准站可以安置在已知点上 也 可以安置在待定点上 甚至可以安置在临时点上 但都必须先进行单点定位 测定基准站的84坐 标 一般取10分钟的观测数据即可 而流动站必须先到已知点进行流动观测 获取所有已知点的84坐标 然后同样在GPS RTK系统内通过公共点匹配求解 坐标转换参数 有了转换参数就可以到待定点上依次观测了 对于没有布设 GPS RTK控制网的公路项目 一般都需要按此种作业方式进行 由于基准站的安置都具有一定的可选性 因此应满足以下几方而的要求 1 点位周围没有明显的障碍物和电磁信号干扰物 以有利于卫星信号的 接收 2 点位所在地地势较高 最好是制高点上 以有利于数据信号的传送 3 点位附近充电较方便 以确保基准站连续用电的特殊需要 4 点位相对于待测区域位置适中 有利于作业半径的覆盖 3 7 23 7 2 不同坐标系统下的GPSGPS RTKRTK作业方式 进行GPS RTK测量主要是充分利用它具有的快速定位和实时放样两大功 能 在大多数情况下 只有点位放样才真正需要实时测定 而快速定位并不 都是需要实时提供坐标 也就是说可以通过后处理提供点位坐标 因此在作 业方式上我们完全可以根据工程项目对测量成果需求的紧迫程度 优化设计 GPS RTK测量的作业方式 以达到尽可能缩短外业观测时间 真正提高作业 效率的目的 1 1 在国家坐标系统下的GPSGPS RTKRTK作业方式 这种作业方式 也就是2 4 1中所介绍的前两种情形 因为这种作业方式 才是真正意义上的实时提供国家坐标系统下的点位坐标 主要工作也都是外 业完成 它要求测区具有坐标转换参数或者能够实时求定转换参数 该作业 方式主要用于真正需要实时提供点位坐标的工程项目如施工放样等 2 2 在WGS84WGS84坐标系统下的GPSGPS RTKRTK作业方式 是指GPS RTK外业测量中无需考虑坐标转换参数而直接实时提供84坐标 通过内业后处理提供国家坐标系成果 这种作业方式的最大特点是 不必为求 17 定坐标转换参数而提前进行己知点联测 只需在测定待定点过程中顺便联测 己知点 尤其是对于线路较长的公路GPS RTK测量 在无需实时提供国家坐 标成果时 按此作业方式可以大大减少外业工作量 3 3 工程举例 以某公路改造时GPS RTK测量工程实例说明 路线全长约70km 为了测绘 1 2000带状地形图 决定采用GPS RTK技术测定180个二级控制点 全线己有7个四等GPS RTK控制点 平均点距约10km 坐标成果属于1954 年北京坐标系 经检核后可作为GPS RTK测量的坐标转换起算点 由于己知 点相距较远 如果采用在国家坐标系统下的GPS RTK作业方式 为了求定坐 标转换参数 一方面流动站要首先跑遍所有己知点 另一方面基准站要顾及 作业半径 需要迁站2 3次 将会严重影响外业工作效率 考虑到任务虽急 但并没有实时提供成果的必要 于是采取了在WGS84 坐标系下的GPS RTK作业方式 54坐标成果由内业后处理提供 采用 LeicaGPS530系统进行GPS RTK观测 选择102 104 106为基准站 如图3 1所 示 作业半径为10km 其它己知点纳入到星状网联测中 3 8 GPS RTK测量作业方式的选择 GPS RTK测量作业方式应该根据工程项目的实际情况来进行选择 充分 发挥技术优势 1 如果测区己有GPS静态控制网资料 可选择条件好的己知GPS点作为基 准站 在流动站中直接输入转换参数 即可开始RTK作业 实时提供国家坐标系下坐标 成果 2 如果测区没有GPS静态控制网资料需要实时提交成果的 必须现场测 定所有己知点的WGS 84坐标 求得转换参数后方可进行作业 无需实时提交 成果的 可直接在WGS 84坐标系下进行GPS RTK测量 顺便联测己知点 经 后处理后提交国家坐标系下成果 3 9 提高GPS RTK精度的方法与措施 1 已知点精度要高一些 且有足够的精度 2 已知点密度要够 3 已知点分布均匀合理 18 4 作业半径要符合规定要求 5 要考虑基准站的选取 基准站一般选在测区的中央且地势比较高的地 方 旁边不能有大面积水面 高大树木 建筑物或电磁干扰源 如电台的发射 塔 高压电线等 6 电台不宜放在离GPS接收机过近的地方 否则电台信号会干扰GPS卫星 信号 同时 电台的信号线和电源线过长时不宜卷起来 这样会因为涡流而 产生磁场干扰GPS信号 7 GPS信号失锁时需要重新进行初始化 即静止观测几分钟 等到重新锁 定卫星时再进行碎部点观测 为了确保安全可靠最好回到参考点上进行校核 第4章 GPS在工程测量中的应用 4 1 概述 20 世纪 80 年代以来 随着 GPS 定位技术的出现和不断发展完善 使 测绘定位技术发生了革命性的变革 为工程测量提供了崭新的技术手段和方法 长期以来用测角 测距 测水准为主体的常规地面定位技术 正在逐步被以一 次性确定三维坐标的 高速度 高效率 高精度的 CPS 技术所代替 同时定位 范围己从陆地和近海扩展到海洋和宇宙空间 定位方法己从静态扩展到动态 定位服务领域己从导航和测绘领域扩展到国民经济建设的广阔领域 对经典大 地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响 它在工程测量学及其相关学科领 域方面的广泛应用 充分显示了卫星定位技术的高精度和高效益 4 2 GPS测量的布网特色与布网方法 4 2 1 GPS测量的布网特色 GPS 测量是采用相对定位方法 即若干台接收机同时在相同的时间段内连 续跟踪观测相同的卫星组 我们把同步观测时间段称为时段 同一时段内各 GPS 接收机组成的图形称为同步图形 由同步图形不难推广到异步图形 即用 不同时段的基线联合推算某一基线 将推算结果与直接解算结果比较便得异步 图形坐标闭合差条件 进行 GPS 测量时 由于各点之间无通视要求 也不强求 站间距离 因而 GPS 布网设计具有灵活自由的优点 兼顾 GPS 同步观测这一特 点 使得 GPS 布网设计具有以下技术特色 19 1 GPS 网的扩展和延伸是通过同步图形之间的连接进行的 当采用不同的连 接方法时 网形结构随之会有不同的形状 2 一个测区内网中个等级点可一并考虑进行统一设计 只不过不同等级点的 观测时间长度 点与点之间的连接方法根据要求不同有所差异 3 设计完成的 GPS 网中 应尽可能包括多种闭合条件 以保证有较高的内精 度和可靠性 4 某一同步图形观测完成后可立即进行基线解算 若解算结果不甚理想时 可随时灵活地更改布网方案 而并非一定拘泥于固定网形 从而可在人力 经 费上有所节省 4 2 2 GPS 布网方法 GPS 网布设的总原则是 着眼整个测区 固定全网结构 用网环路和子环 路构成封闭式的 GPS 网 及时评定 GPS 数据质量 所谓网环路 就是一个能够 覆盖整个测区的闭合环 子环路则是一种分割网环路的区域性闭合环 GPS 网 布设的问题就是怎样将各同步图形有机地连接成一整体 构成一定数量的同步 观测环和异步观测环 也可采用线路形式 以较好地满足精度 可靠性 经费 和后勤等限制条件 GPS 布网通常有三种基本方法 点连式 边连式和网连式 点连式 就是相邻同步图形之间仅有一个公共点连接 边连式 就是相邻同步图形之间有两个公共点 即一条公共基线连接 网连式 就是相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接 这时相邻同步 图形之间互相重叠一部分 4 3 GPS在工程测量中的应用 4 3 1 建立工程控制网 工程控制网是工程建设 管理和维护的基础 其网型和精度要求与工程项 目的性质 规模密切相关 一般地 工程控制网覆盖面积小 点位密度大 精 度要求高 用常规的方法多采用边角网 采用 GPS 定位的方法建立工程控制网 具有点位选择限制少 作业时间短 成果精度高 工程费用低等优点 可应用于建立工程首级控制网 变形监测控 制网 工矿施工控制网 工程勘探 施工控制网 隧道等地下工程控制网 等 等 应用 GPS 技术建立控制网 通常采用载波相位静态差分技术 以保证达到 毫米级精度 应用 GPS 技术建立道路勘探 施工控制网和隧道工程控制网等具 有显著的优势 道路勘测 施工控制网 具有横向很窄 纵向很长的特点 采 用传统的三角锁 导线方案 多数需要分段实施 以避免误差积累过大 采用 GPS 技术 由于点与点之间不需要通视 可以敷设很长的 GPS 点构成的三角锁 以保持长距离线路坐标控制的一致性 20 隧道 地铁等地下工程 一般采用对向施工 有时还需采用立井施工 以 提高贯通速度 为了保证贯通精度 必须建立地面精密控制网 隧道纵向跨度 大 其上方周围多为崇山峻岭 地铁上方 高楼大厦林立 用 GPS 技术建立隧 道 地铁工程控制网解决了这类工程的一大难题 4 3 2 RTK 的碎部测量与放样 RTK Real Time Kinematic 技术 即载波相位差分技术 是实时处理两个 测站载波相位观测量的差分方法 RTK 系统由两部分组成 基准站 坐标已知 和移动站 用户接收 其本原理是 将基准站采集的载波相位发送给用户 用 户根据基准站的差分信息进行求差解算用户位置坐标 RTK 技术可以应用于测 绘地形图 地籍图 测绘房地产的界址点 平面位置的施工放样等 采用 RTK 技术测图时仅需一人进行 将 GPS 接收机放在待定的特征点上 1 2 s 同时输 入该特征点的编码即可 把一个小区域内的地形 地物特征点测定后传入计算 机 由专业成图软件 在人工适当的干预下 形成所要的成果图 GPS RTK 用 于碎部测量不需建立图根控制 大大提高了工作效率 RTK 所采集的数据避免 了人为误差 点位精度分布较均匀 采用 RIK 技术进行放样 标定界标点 是 坐标的直接标定 不象常规放样那样 需要后视方向 用解析法标定 因而简 捷易行 4 3 3 区域差分网下的碎部测量与放样 区域性 GPS 差分系统下的碎部测量 放样 是基于区域 GPS 差分网进行的 区域差与 RTK 单基点载波相位差分的原理相似 不同的是区域差分的基准站往 往多于 1 个 多基准站组成基准网 基准网提供各个基准站的差分信息 用户 接收机根据自己的位置确定各基准站差分信息的权 按非等权平差后形成自己 的差分改正数 实现差分定位 4 3 4 GPS 变形监测 变形监测主要是监测像大桥 水库大坝 高层大楼等建筑物 构筑物的地 基沉降 位移以及整体的倾斜等状况 常规的监测技术是应用水准测量的方法 监测地基的沉降 应用三角测量 或角度交会 的方法监测地基的位移和整体的 倾斜 由于被监测物体通常都是几何尺寸巨大 监测环境复杂 监测技术要求 较高 因此应用常规技术不仅观测时间长 劳动强度大 而且难以实现自动化 监测 而 GPS 定位技术由于定位精度高 不需要通视 可全天候工作等特点 研究表明 利用 GPS 进行水平位移观测可获得小于士 2mm 精度的位移矢量 高 程的测量也可获得不大于士 10mm 的精度 因此 GPS 在变形监测中越来越受到 广泛的应用 尤其是大型工程 一个有代表意义的范例是 湖北省长阳土家族 自治县境内的隔河岩大坝 坝顶弧线全长 653m 最大坝 151m 于 1997 年底至 1998 年初安装 调试并运行成功了 GPS 自动监测系统 经实验及运行实践结果 21 表明系统自动化程度高 数据可靠 监测精度高 该系统设有两个基准点 采 取了适当的提高精度的措施 系统设置 数据处理等 取得了监测点在在水平 方向的精度为 0 5 至 1 0mm 高程方向的精度为 1 0 至 1 5mm 的较为理想的成果 这一监测工程的成功范例 标志着我国大型建筑物 构筑物高精度变形监测 采 用 GPS 自动监测系统时代的开始 此外 一种低费用 多天线的 GPS 变形监测 系统正在研制 其宗旨是采用一个特制天线转制开关 GPS 多天线转制开关 来实现多个 GPS 天线与一台接收机相连接 接收机按照预先设置的程序分时扫 描每一台天线并实现 GPS 卫星的跟踪 通过数据处理软件 包括多天线识别与 分离模块 来完成数据处理 无疑 这种监测系统将大大降低检测的成本 4 4 GPS在工程测量中的应用实例 以高邮市马横线公路改造工程为例 加以介绍 4 4 1测区基本概况 测区位于本市新横泾河南 北两侧 沿线河流 沟渠交错 树木 农作物 较多 植被茂盛 通视条件较差 且交通不便 根据交通设计部门的要求 首 级控制及主控制应沿老公路及拟建道路的两侧布设 为便于施工放样等工作 一般距道路 50 200 米之内 道路全长共 29 公里 现有 3 个四等已知点 即 马棚湾 张家汉和良种场 2 个四等水准点 考虑 GPS 对高程的测定精度尚不 能满足四等以上的技术要求 且需要 6 个已知水准点进行曲面拟合的条件 故 高程控制我们采用了四等水准测量 沿线布设了两条四等水准附合路线 4 4 2技术指标 1 独立观测环或附合路线的边数 N 8 四等 2 可靠性指标 30 3 平均重复设站率 R 1 6 4 同步观测时间不少于 45min 5 点位几何图形强度因子 PDOP 6 4 4 3平面控制网的布设 根据交通部门的要求 首级 GPS 控制网 布设等级为四等 很明显主控制 二级导线沿老公路布设成附合导线最为经济合理 四等 GPS 网的布设是平面控 制成败的关键 为了确保 GPS 成果的精度和可靠性 有效地发现粗差 GPS 网 中的独立基线必须构成一定数量的独立环或附合路线 从而形成一些几何检核 条件 按照交通部 公路勘测规范 JTJ061 99 的要求 二级导线总长限制 在 6 公里以内 不大于 20 条边 则沿路布设的 GPS 点间距不能超过 6 公里 另考虑到加密控制测量 尽力减少精度损失 增加方位角闭合差的检核条件 我们将二级导线布设为有定向的附合导线形式 由于受到二级导线平均边长 边数以及全站仪观测连接角通视条件的限制 故 GPS 一对点的边长及间距也不 22 宜过长 综合上述因素 结合测区情况 我们在全线每约 5 公里左右设置一对 相互通视的 GPS 点 平面四等 GPS 控制网的布点方案 我们选择了沿线两侧交 错布设的导线网形式 4 4 4选点埋石 选点是平面控制的一个重要环节 外业选点前 应收集测区现有的三角点 水准点及 1 10000 地形图资料 根据现有测量资料实地踏勘 了解测区交通现 状 通视条件及标志的可靠程度等 在此基础上 先进行图上的概略布点 然 后再进行实地选点工作 选取 GPS 控制点应考虑以下因素 1 点位应选在土 质坚硬 且便于观测架设仪器的地块上 或设置在固定建筑物楼顶上 便于保 存 2 点位选择在视野开阔 视场内一般不应有高度角大于 15 的成片密布 树木及其它障碍物 3 点位附近不应有强烈干扰卫星信号接收的物体 点位 距离较大功率无线电发射源应不少于 200 米 如电视台 微波站等 距离 220KV 以上电力线路应不少于 50 米 10KV 以下电力线可不考虑 4 附近不 应有强烈反射卫星信号的物体 如大型建筑物等 5 交通较为便利 并有利 于加密控制测量的使用 6 点位周围应避免在大面积的平静水边 避免 GPS 信号的多路径反射效应 埋石宜采用预制混凝土标石 现场开挖坑后 在坑底首先应现浇 20 厘米厚 的混凝土 然后再现场填实标石周围 待沉降稳定后 方可进行平面控制测量 4 4 5外业观测 外业观测采用三台 4600 LS 型 GPS 单频接收机测量 准备工作 利用国家三角点作为已知点时 应将仪器架设在觇标的基板 台部