浅析RTK在数字化图根控制测量中的.doc

第1章 RTK的发展史全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。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， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。经近10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、运载工具导航和管制、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。在这些应用中，GPS在定位技术的应用上的发展可以分为4个阶段（如下图所示）：图1 定位技术的发展GPS定位技术的原理比较简单：卫星向地面接收机发射带有测距码的载波信号，卫星的轨道是已知的（x,y,z）,那么地面点在某一时刻通过对接收到的卫星信号进行分析就可以得到卫星到地面点的距离，那么只需要3颗卫星就可以定出地面点的位置，但是接收机的时钟是不准确的，所以需要同时接收4颗卫星的信号（4维）才能准确地交会定出地面点的位置。由于信号在传播过程中受到电离层，对流层，多路径和相对论效应等多方面的影响，以及美国SA政策（美国针对民用GPS的信号干扰政策），定位精度一直很难达到理想的情况，为了解决这些不利影响，定位技术的发展正经历4代的更迭。总体说来，GPS定位可以分为相对定位和绝对定位。绝对定位也叫单点定位，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WGS84坐标系中相对于坐标原点（地球质心）的绝对位置。相对定位也叫差分GPS定位，即至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置，相对定位的精度较高。第一代的GPS的绝对定位采用的是伪距单点定位，由于伪距的测距码的波长长达几十米，单点定位的效果很不好，一般精度只有几十米甚至上百米，只能用在船只等导航用途上，现在的手持GPS还采用这种定位方式；采用伪距差分定位能将精度提高到十几米到几十米，还是不能用在测绘等领域当中。此时，随着信号处理技术的发展，人们可以更好的分析卫星信号中的载波，载波的波长比测距码要小得多，而且卫星信号中的L1和L2载波（民用码C/A码调制在L1当中，军用码P码调制在L2当中）的波长成倍数关系，当遇到电离层和对流层影响时，信号延迟也成线性关系，可以帮助更好的估计误差影响，于是产生了载波静态相对定位技术，采用此技术，可以将相对精度提高到米级甚至分米级，若采用事后的精密星历后处理，能将精度提高到厘米级，由此GPS技术广泛应用于测绘领域当中。但是，载波相对定位中有一个很大的瓶颈：计算整周模糊度（即计算载波在传播过程中的整周期的个数N）的速度很慢，当时的算法计算量很大，一般都需要后处理。也就是说，GPS的这样的定位技术还不能应用到实时的动态定位（大多数应用都需要实时动态）当中。在此情况下，第二代定位技术产生了，RTK(实时动态)技术。这个技术是基于新的对整周模糊度的搜索算法，这个算法能极大地减小计算量，并能很好的利用连续整周数的变化。于是RTK技术广泛发展起来。RTK技术是在已知坐标的点上假设一个基站，用户只要使用流动站(Rover)测量/导航，通过不断地和基站通信求得流动站和基站的相对坐标。RTK技术的精度可以达到分米/厘米级，RTK技术使精密导航成为了可能。另一方面静态相对定位由于通信的问题作用范围还很小（不大于15公里），对于大范围的观测，需要建立很庞大的控制网，这是极大的资源浪费。网络技术的发展极大加速了GPS定位技术的发展，建立数据处理和控制中心，通过网络，我们能建立全国甚至全世界的GPS网络，现在我国的青藏高原形变控制网，国际IGS站网都属于广域差分。现在，第二代定位技术已经相当的成熟，并在我国各行各业中广泛应用，处于第二代产品的壮年期。第二代GPS定位技术，尤其是RTK技术，使用起来还是有许多的缺陷。例如对于大范围地区，由于通信技术的限制，要建立许多基站的控制网，这是极大的浪费。并且通信还易受到干扰，差分计算也十分繁琐等等。现阶段，以网络RTK为代表的第三代定位技术已经悄然兴起并蓬勃发展。网络RTK将广域差分技术和传统的RTK技术相结合，在GPS使用密集的地区，由政府建立控制网（城域，省域，全国等），并通过数据中心和发射台处理和发射差分信号，免去了用户建立基站的烦扰。用户只要将流动站的GPS粗略定位坐标(初始化值)通过GSM/GPRS传给控制中心，控制中心根据用户的概略坐标和附近的合适的参考站（或虚拟参考站）差分，并求得精确坐标，网络RTK的精度可以达到厘米级。美国、加拿大、日本等国家甚至建立了全国范围的CORS（连续观测参考站）系统，我国北京也已建成全市的CORS系统，并将在北京08奥运发挥重要的作用。在另一方面，单点定位技术在一个长时间的冷淡期后也得到了发展。精密单点定位技术就是这个发展的成果。它不需要差分，而是从实际信号的传播出发，充分考虑信号发射、传播和接收的误差源：通过精密星历，得到精密轨道和精密卫星钟差，通过各种模型和算法估计电力层和对流层的影响，最大限度地减少误差，达到实时或事后分米/厘米级精度。通过全球范围的观测网络，可以计算出卫星的轨道和钟差，并通过Inmarsat海事卫星传给实时用户。第三代定位技术还处在发展阶段，但可以肯定的是它将极大地减小GPS运用难度，并在未来几年中更蓬勃地发展。 第四代即未来的定位技术是怎样的我们还不得而知，但可以肯定的是，卫星定位导航系统（GNSS）会大大地发展：美国政府以证实GPS将增设更多的频道已用于定位；俄罗斯政府也在积极改进原有的GLONASS系统，增发更多的卫星；我国政府也在原有北斗双星系统的基础上发射第三颗卫星，并将北斗卫星服务改进以适应为未来的需要；欧洲的伽利略系统也已经上马，它吸收了GPS和GLONASS的成功经验和失败教训，在信号使用上少了许多限制，必定会大大提高定位精度。第2章 GPS-RTK技术的基本原理及测量方法2.1 GPS-RTK技术的基本原理RTK系统由基准站和流动站组成。基准站通过数据链实时将采集的载波相位观测量及测站坐标改正信息一同发送给流动站,基准站在接收GPS信号并进行载波相位测量的同时,通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站;移动站通过数据链接收来自基准站的数据,然后利用GPS控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS观测数据组成差分观测值进行实时处理,实时给出待测点的坐标、高程及实测精度,并将实测精度与预设精度指标进行比较,一旦实测精度符合要求,手薄将提示测量人员纪录该点的三维坐标及其精度。RTK的关键技术在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位要求基准站接收机观测到的载波相位观测值及基准站坐标等通过数据通信链实时传送给流动站接收机，流动站不仅仅通过数据链接收来自基准站各项数据，而且还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，求得高精度的定位结果。该系统的数据流程：见图22.2 GPS-RTK的测量方法2.2.1 “无投影/无转换”法直接用接收机在基准站和流动站接收WGS-84坐标,其后利用观测的已知点的WGS-84坐标和相应的地方坐标根据一定的数学模型进行转换。这种方法基准站不一定要安置在已知点上,但根据不同的转换方法,需要观测一定数量的已知点。2.2.2 “键入参数”法把用静态观测求得的WGS-84坐标和地方坐标键入到控制手簿中,进行转换,也可以置入静态观测平差时求取的转换参数。该方法基准站须架设在已知点上,但可以不观测其它已知点(为了检核,建议在方便时还是观测一定量的已知点)。设置一台GPS接收机作为基准站,并将一些必要的数据如基准站的坐标、高程、坐标转换参数等输入控制手簿,一台或几台GPS接收机设置为流动站。基准站和流动站同时接收卫星信号,基准站将接收到的卫星信号通过基准站电台发送到流动站,流动站将接收到的卫星信号与基准站发来的信号传输到控制手簿进行实时差分及平差处理,实时得到本站的坐标和高程及其精度指标等,并随时将实测精度和预设精度指标进行比较,一旦实测精度达到预设精度指标的要求,手簿将提示测量人员是否接受该成果,接受后手簿将测得的坐标、高程及精度同时存储到手簿中。第3章 GPS-RTK测量技术的局限性及施测过程注意事项3.1 GPS-RTK测量技术的局限性（1）卫星信号问题：RTK同静态GPS一样都受卫星信号的牵制。RTK初始化时需要5颗以上卫星。在城市高楼密集区、或其他卫星接收不好的地方,有无法初始化的情况,或得不出固定解。（2）数据传送问题：能否连续地、可靠地接收基准站播发的信号,是RTK能否成功的关键。在城市地区,由于高楼大厦的阻挡或其它无线电波的干扰,流动站经常接收不到基准站发射的信息,使得RTK作业无法进行。（3）距离问题：由于电台功率的原因,限制了流动站和基准站的距离。另外,RTK测量的精度随着基准站与流动站的距离的增长,精度会逐步降低。对于1cm+110-6s的标称精度,若测量距离在10km时,其精度将会降低2cm。所以实际作业时,基准站和流动站之间的距离有一定的限制。 （4）高程精度问题：GPS-RTK确定高程的精度还受GPS观测数据的质量、外界环境、高程异常的精度和垂线偏差的影响,为保证高程确定的精度,这些因素需要在测量时严格考虑。3.2 施测过程注意事项3.2.1参考站运行期间作业要求1. 当为了节省控制器电量或用于流动站时，参考站在工作期间可关闭手持控制器后去掉。2.尽管各RTK设备在设计时考虑到防水、防晒等因素，但作业时应尽量避免烈日暴晒或雨水淋湿。3. 参考站工作期间，工作人员不能远离，要间隔一定时间检查设备工作状态，对不正常情况及时作出处理。4. 由于参考站除了GPS设备耗电外，还要为RTK电台供电，可采用双电源电池供电，或采用汽车电瓶供电。条件许可时，可采用12V直流调变压器直接同市电网路连接供电。3.2.2流动站的设置要求1.在RTK作业前，应首先检查仪器内存或PC卡容量能否满足工作需要。2. 由于RTK作业耗电量大，工作前，应备足电源。3. 由于流动站一般采用缺省2m流动杆作业，当高度不同时，应修正此值。4. 在信号受影响的点位，为提高效率，可将仪器移到开阔处或升高天线，待数据链锁定后，再小心无倾斜地移回待定点或放低天线，一般可以初始化成功。5. 在穿越树林、灌木林时，应注意天线和电缆勿挂破、拉断，保证仪器安全。3.2.3在计算转换参数时应注意的事项 (1)已知点最好选在测区四周及中心，均匀分布，能有效的控制测区。尽量减少转换参数误差对测量结果的影响。(2)为了提高精度，最好选5个以上的点利用最小二乘法求解转换参数。为了检验转换参数的精度和正确性，还可以选用几个点不参与计算，而带入公式起检验作用，经过检验满足要求的转换参数认为是可靠的。第4章 RTK技术在数字化图根控制测量中的应用4.1工程概述 为了满足漳州市城市规划建设需要,需对漳州市芗城区(实测面积7.5平方公里)进行1:1000数字化地形测量.测区位于漳市芗城区天宝镇, 其东北面为山地，荔枝高大茂密，通视、通行困难，给测绘工作带来了一定的难度。西南面为平原地貌。植被以热带果园和树林为主，间杂灌木林和草地，植被较为零碎。有乡级公路自东向西穿过测区，测区内有大车路相连，交通较为便利。 测区内图根控制采用GPS RTK施测4.2 已有资料利用情况和来源4.2.1 福建省测绘局1986年出版的1：10000地形图作为图根点选点之用。4.2.2 近期完成的，由漳州市某乙级测绘单位测的GPS点，精度等级为12秒，可作为图根导线或GPS RTK测量图根起算及测图之用。4.3 仪器设备及作业人员本次作业我们使用南方公司生产的灵锐S82双频接收机(1+1)，共投入仪器2台，其中一台基准站、1台流动站，有3人参加此次作业。4.4 作业流程4.4.1 利用原先布制好的10个GPS点作起算点及检测用。作业前我们对已知点进行检查，情况如下（表1）： 表1序号已知控制点坐标反算边长全占仪实测边长边长较差1G1-G2787.989787.996-0.0072G4-G3313.033313.036-0.0033G5-G6461.966461.967-0.0014G8-G7682.884682.889-0.0055G9-G10957.485957.494-0.009以上数据说明已知控制点精度是好的，各项技术指示基本符合要求。4.5求坐标系统转换参数和水准面模型转换参数4.5.1根据提供的已知点.,我们采用了G1、G6、G8、G10作为测区图根点的起算坐标，为了保正测区图根点精度，我们采用了已知点比较法，用RTK测出已知控制点的坐标进行比较。具体如下：(1)先对G1、G6、G8、G10进行校正，求得相应的转换参数后再对G2G4G5进行实测，测得结果与已知点点进行比较。(2)在进行求参数过程中,应保正移动站有效观测卫星数5个,PDOP值6。观测时采用了1.5米三角杆进行对中、整平，每次观测时间应保征在3分钟以上，且平面收敛精度应1.5cm，高程收敛精度应2cm。以下列出“已知点检核比较法”检测结果. 已知点检核比较成果统计表 表2序号点号纵坐标XX横坐标YYS高程HH备注1G22721401.1410.005489559.708-0.0060.00810.103-0.016已知点2721401.136489559.71410.119检查点2G42722638.4300.002490426.5730.0030.00415.2670.015已知点2722638.428490426.57015.252检查点3G52722943.173-0.004491160.858-0.0020.00418.155-0.012已知点2722943.177491160.86018.167检查点4G72722371.713-0.002491423.827-0.0020.00315.475-0.008已知点2722371.715491423.82915.483检查点以上根据已知点检核比较法可以得出坐标系统转换参数和水准面模型转换参数符合要求且可以用于图根点的测量。期间应保正移动站有效观测卫星数5个,PDOP值6。观测时采用了1.5米三角杆进行对中、整平，每次观测时间应保征在3分钟以上，且平面收敛精度应1.5cm，高程收敛精度应2cm。完成图根控制作业后，可以进行下一步作业地形图野外数据采集，内业编制处理，最后编制成地形图。4.6 RTK实测中注意的问题及对策由于测区特殊的环境，存在诸多不利于RTK作业的因素，诸如强大的无线电网络等。在实践应用中，我们就发现许多测量过程中的问题，经过认真的分析，主要有以下几方面。4.6.1. 由于实时动态RTK的测量与卫星分布以及数据链的性能有关，而且各观测值都是独立观测的，那么在观测时如何判断观测数据的可靠性呢?在开始观测前先联测其他已知点进行对比，以确定基准站和流动站各参数设置是否正确，以及数据链通讯是否正常。在观测一段时间或仪器失锁以及观测结束前都进行这一检测，这样可以有效地判断仪器是否处于正常状态，从而确保观测成果的可靠性。4.6.2. 为提高观测成果的精度，流动站宜采用三脚架或带支架的对中杆，这样流动站天线稳定性好、对中整平误差小，同时在采集数据时应等数据跳动变化在设计要求时采集。4.6.3. R T K作业时，有时会出现数据链不稳定的现象。可能是由于流动站附近存在与电台频率相同的外界无线电，干扰了数据的传输，这时应通知基准站重新选择电台发射频率，流动站也重新选择接收频率;也可能是电台的电量不足，应及时充电。4.6.4. 在RT K测量过程中，有时会出现在某个区域或一个时间段里，解算时间较长甚至无法获取固定双差解的情况。这可能是由于周围存在如反射性强的建筑物水面、临时停车等反射物引起多路径现象，可选择复位后重新观测记录;也可能没有足够的卫星可用或卫星分布不利，可选择适当提高截止高度角(如100或150)或删星。4.6.5. 在房屋密集区域，为防止由于天空通视条件的限制，RTK无法确定其坐标位置，应采用常规测量方法。第5章 结束语GPS-RTK技术拥有观测站之间无