南方RTD_RTK原理及应用.doc

毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 1 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 第 1 章绪论 3 第 2 章差分 GPS 定位原理 5 2 1 差分 GPS 定位原理概述 5 2 2 局域差分 GPS 6 2 2 1 伪距差分的计算模式 6 2 2 2 载波相位差分技术的及计算模式 7 2 2 3 载波相位平滑单频道伪距差分技术的计算模式 8 2 2 4 载波相位平滑双频道伪距差分技术的计算模式 8 2 3 广域差分 GPS 13 2 3 1 广域差分 GPS 的基本思想 13 2 3 2 广域差分 GPS 的工作流程 13 2 3 3 广域差分 GPS 系统的基本构成 14 2 3 4WADGPS 的技术特点 15 2 4 数据链与数据格式 15 2 4 1 电台选择 16 2 4 2 调制解调器 16 2 4 3NMEA 0183 数据格式 16 2 4 4RTCM 104 数据格式 17 第 3 章南方 NGK 500 型实时动态 GPS 测量系统简介 23 3 1 系统简介 23 3 2 系统的技术指标 24 3 3 系统功能概述 25 3 3 1 静态相对定位模式 25 3 2 2 快速静态相对定位模式 26 3 2 3 RTD 作业模式 26 3 2 4 实时动态作业模式 27 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 2 第 4 章应用实例 28 4 1 昆明引水工程公路勘测设计中的应用 28 4 1 1 测区地形条件 29 4 1 2 作业要求 29 4 1 3 坐标转换参数 29 4 1 4 质量控制 30 4 1 5 作业情况 30 4 1 6 观测数据及成果精度 31 4 1 7 使用经验及体会 32 4 2 运用南方 RTK 天王星 9800 做控制 33 4 2 1 测区概况 33 4 2 2 运用南方 GPS 处理软件处理 33 4 2 3 成果分析 33 4 2 4 应用总结 35 4 2 5 天王星 9800 性能及市场前景 35 第 5 章总结 36 第 6 章结束语 37 参考文献 38 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 1 摘 要 GPS Global Position System 全球定位系统是以卫星为基础的空中无线电导航系统 可为航空 航天 陆地 海洋等用户提供三维导航 定位和定时 GPS 定位系统由于其 定位的高度灵活性和全天候性 迅速在测量中得到了普及和发展 但由于美国为了其自 身的利益 对非特殊用户进行了一些人为的设置 最常见的如 SA 即 Selective Availability 政策和 AS 即 Anti Spoofing 反电子诱骗 技术 使得我们进行测量的 精度受到了很大的限制和影响 在这样一个背景下 相应的产生了各种应对技术 RTK Real Time Kinematics 实时动态差分技术正是其中的一种 通过这种技术可以消 除不少影响定位精度的误差 从而 从本质上提高了精度 国内的测绘仪器生产厂家南方测绘仪器公司出品的 NGK 500 型双频 RTK 系统正是利用 此技术 使得该产品能广泛的应用于碎部测量 公路放样 GIS 前端数据采集等等 迅速 成为国内大中型测绘单位首选仪器 为测绘事业的发展做出了应有的贡献 同时这也是 打破了外国独占 GPS 市场 为我国在军事 民用等产业摆脱了外国制造商的全部依赖 使得我国的测绘仪器制造进入了国产化的新时期 关键词 全球定位系统 GPS 实时动态差分技术 RTK 双频 RTK 系统 NGK 500 南 方测绘仪器公司 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 2 Abstract GPS Global Position System is a radio navigation system based on satellite in the sky It can provide Three Dimensions Navigation Position Fixing and Setting Timing for GPS receiver of Tronautics Flying land and ocean Now because of Positioning in GPS there are higher flexibility and can work all day than traditional surveying technique Global Position System is popularized and developed qucikly in surveying region But the America do some man made setting for special receiver to protecting themself advantages For example Selective Availability SA policy and Anti Spoofing technics So Accuracy of surveying conduce to more limiting and influence In this case There are many technics procreated for this Policy RTK Real Time Kinematics is a kind of them we can use this technics defeat many influences and less accuracy errors whereby It improve the accuracy of surveying in original quality Incountry surveying instrument production company South surveying company producted Double frequency Real Time Kinematics system NGK 500model uesing this technics It can be used in None grate surveying road lay GIS DATE collectoion and so on be using as the first instrument by civel large or small surveying enterprise and it is making the great contribution in the development of surveying undertaking Simultaneously it also breaks down the monopolistic GPSmarketplace of overseas and gets rid of hole reckoning upon the foreign manufacturing for our estate such as military domestic which inverse pushs on our surveying instrument making into the new stage of localization of manufactures KeywordKeyword Global Position System GPS Real Time Kinematics RTK Double frequency Real Time Kinematics system NGK 500 south surveying company 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 3 第 1 章绪论 GPS Global Position System 全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航系统 可为航 空 航天 陆地 海洋等用户提供三维导航 定位和定时 GPS 是美国国防部在本世纪 80 年代推出的 是由其 60 年代研制的海军航海卫星 NNSS 具有厘米机 Doppler 定位系统发展 起来的 GPS 空间星座由 24 颗星组成 分布在 6 个等间隔的轨道面上 卫星同时发射两种信号 叫做 C A 码 粗码 及 P 码 精码 保证在任何地方任何时刻都能够观测到 4 颗至 9 颗 高角度大于 10 度的 GPS 卫星 这就是说随时随地都可以测得对面上或对面上空的点位的 三维坐标 从而保障全球 全天候连续 实时 动态导航 定位 GPS 定位功能多 精 度高 可为各类用户连续提供动态目标的三维位置 三维航速和时间信息 目前 单点实时 定位精度为 15 100 米 静态相对定位为 测速 0 1m s 授时 10 纳秒 同 时 GPS 实时定位速度快 可在 1 秒内完成 它的抗干扰性能好 保密性强 操作简单 两观测点间不需通视 对于等级大地点节省了造标费用 此项费用可占总测量费用的 30 50 GPS 还可全天候作业 GPS 定位系统由于其定位的高度灵活性和常规测量无法比拟的高精度 成为测量学科 中革命性的变化 因为测量点位不象经典三角测量一样有等级之分 不存在误差的积累 测点可以在真正需要的地方进行 无需过渡点 点间不需要有造标 通视等问题的考虑 而且观测点位又与重力场发生关系 避免了复杂的归算 这种可以把平面及高程同时求出 不需要平高分开的布网方式 GPS 卫星发射的是一对相干波 作为载波载有两类调制信号 一类为导航信号 另一 类为电文信号 导航信号又分为两种 码率分别为 1 023Mb s 和 10 23Mb s 前者信号编码 1ms 重复一次 用来快速捕捉导航信号 故称捕捉码 按设计仅用于粗略定位 又称粗码 C A 码 后者七天重复一次 且各颗卫星不同 码的变化结构十分复杂 不易捕捉 但能 用于精密定位 故称精码 P 码 两种码都是人为编制的一组类似躁声的信号码 通称为伪 随机躁声码 电文信号同时以 50bit s 的速度调制 电文内容包括卫星星历表 各项改正数 和卫星工作状态等 86 10 10 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 4 地面控制部分是整个系统的中枢 它由一个主控站 若干个跟踪站和注入站所组成 地面控制的任务是保证整个系统的正常运转 包括管理和调整整个系统的工作状态 采集 各类观测数据 计算卫星星历 卫星钟的钟差和漂移 各项改正数和定位信息 组成电文 注入卫星存储器 以一组原子钟为基础建立和维护一个高精度的时间系统 用户接收机部分由主机 电源和天线组成 主机的核心为微电脑 石英振荡器 还有 相应的输入输出设备和接口 专用软件控制下主机进行作业卫星选择 数据采集 加工 处理 传输和存储 对整个设备系统状态进行检查 报警和非致命故障的排除 承担整个 接收系统的自动管理 天线通常采用全方位型的以便采集来自各个方位任意非页字度角的 卫星信号 由于卫星信号较弱 在天线基座中有一个前置放大器 将信号放大后 再由同 轴电缆馈入主机 电源部分为主机和天线供电 可使用经整流 稳压处理的 也可用蓄电 池 从 GPS 的提出到 1993 年建成 经历了 20 年 实践证实 GPS 对人类活动影响极大 应用价值极高 它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题 可以满足不同用户的 需要 特别是用于精密定位的测地型接收机的出现 给大地测量带来了革命性的变化 成 为 GPS 应用的主要分支 GPS Global Position System 全球定位系统是以卫星为基础的空基无线电导航系统 可 为航空 航天 陆地 海洋等用户提供三维导航 定位和定时 GPS 定位系统由于其定位 的高度灵活性和全天候性 迅速在测量中得到了普及和发展 但由于美国为了其自身的利 益 对非特殊用户进行了一些人为的设置 最常见的如 SA 即 Selective Availability 政策 和 AS 即 Anti Spoofing 反电子诱骗 技术 使得我们进行测量的精度受到了很大的限制 和影响 在这样一个背景下 相应的产生了各种应对技术 RTK Real Time Kinematics 实时动态差分技术正是其中的一种 通过这种技术可以消除不少影响定位精度的误差 从 而 从本质上提高了精度 国内的测绘仪器生产厂家南方测绘仪器公司出品的 NGK 500 型双频 RTK 系统正是利 用此技术 使得该产品能广泛的应用于碎部测量 公路放样 GIS 前端数据采集等等 迅速成 为国内大中型测绘单位首选仪器 为测绘事业的发展做出了应有的贡献 同时最新出来的 天王星 9800 其性能更是可以和国际领先的测绘仪器厂家生产的 GPS 媲美 本人在南方公 司实习期间 就曾运用天王星 9800 做大范围测区的控制 为我们的地形测量提供精度可靠 的控制网 从整个测绘行业来讲 在未来的测量工程中 RTD RTK 技术将越来越普及 那是我们将步入休闲测量时代 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 5 第 2 章差分 GPS 定位原理 2 1 差分 GPS 定位原理概述 根据观测瞬间 GPS 卫星在空间的位置以及接收机所得的至这些卫星的距离 并加上大 气传播延迟各项改正后 即可用距离交会的方法求得该瞬间接受机的位置 由于全球定位 系统在军事上具有重要的作用因而美国决定采用 SA 技术 Selective Availability 和 AS 技 术 Anti Spoofing 把未经美国政府特许的广大用户的实时定位精度降低到它所允许的水 平 100m 2drms 以免美国的利益受到损害 然而对于许多应用领域来讲 例如飞机的 进场和着陆 地面车辆的导航和调度管理 资源勘探调查 灾害救助等 上述精度就显得 过低 无法满足用户要求 从而限制了 GPS 的应用范围 实时差分 GPS 是消除美国政府限制性措施所造成的危害和负面影响 大幅度提高实时 定位精度的有效手段 至 1993 年 5 月止 在全球已建立了 20 个向社会各界开放的商业差 分 GPS 服务系统 差分 GPS 技术的发展也很迅速 从早期仅仅能提供位置改正数 伪距 改正数到目前能将各种误差分离开来向用户提供卫星星历改正 卫星钟改正以及电离层延 迟模型和对流层延迟模型 影响 GPS 实时定位精度的因素很多 其中主要有 卫星星历误差 电离层延迟 对流层延迟 接收机钟和卫星钟的误差 这些误差从总体上讲都具有较好的空间相关性 也就是说对于相距不太远的各个测站 来讲上述误差所产生的影响基本上是相同的 如果我们能在一个位置已精确确定的已知点 配备 GPS 接收机 并和用户一起进行 GPS 观测的话 就有可能求得各个观测瞬间由于上述 各种所造成的影响 如果已知点还能将这些偏差值通过无线电通讯的手段即刻播发给在附 近工作的用户的话 那么这些用户的定位精度就能大为改善 这就是差分定位的基本原理 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 6 差分实时定位技术基本上可分为两种类型 即局域差分 GPS 和广域差分 GPS 局域差 分技术特点是向用户提供综合的差分 GPS 改正信息 观测值改正 而不是单个误差源的改 正 它的作用范围较小 一般为 150Km 之内 广域差分的技术特点是将 GPS 定位中主要的 误差源分别加以计算 并分别向用户提供这些差分信息 它作用的范围比较大 往往在 1000Km 以上 以下分别给与介绍 2 2 局域差分 GPS 局域差分 GPS Local Area Differential GPS 简写为 LADGPS 实时定位技术是由 基准站 数据通讯链和用户站组成 它提高用户站定位精度的原理是建立在基准站和用户 站对 GPS 卫星的同步同轨跟踪基础上的 由于这个原理 所以对基准站和用户站之间的距 离间隔的要求和对用户站定位精度的改善都有较大限制 以下不特别说明都是指局域差分 差分定位基本上可分为两种计算或工作模式 一种是伪距差分 一种是载波相位差分 对于伪距差分 由于美国实行 AS 政策 一般接收机不能收到 P 码 因此在 L2 频道上已不能直 接测到伪距 但目前新型 GPS 接收机可以收到由 P 码改变的 Y 码在两个频道之差 Y1 Y2 由此可间接得到 L2 的伪距而无需破译 P 码 此外考虑到载波相位定位精度高的特点 将载 波相位来平滑伪距中的部分误差 因此在上述两种差分技术之外 又产生二者之间的结合 技术 载波平滑码的差分方法 下面分别叙述如下 2 2 1 伪距差分的计算模式 对于 L1 频道的伪距的数学模式为 r D B b T n 2 1 r 在 L1 C A 码频道上测得的地面站到 GPS 卫星的伪距 该值已经作对流层 相对论 和多路径改正 D 地面站至 GPS 卫星间距离的最或是值 B 地面站 GPS 接收机钟差 b 卫星钟差 T 电离层改正 n 测定伪距的噪声 L2 频道上的伪距的数学模式 rL2 rL1 rY1 Y2 2 2 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 7 rL1 从 L1 频道上测得的伪距 rY1 Y2 用互相关技术辨认在 L1 和 L2 频道上的 Y1 Y2 值 导出相应的 伪距 在系统的主站上 根据主站已知的高精度地心坐标和追踪 GPS 卫星的广播星历 推算 的主站至卫星的伪距 真 值 D D 已经顾及主站接收机钟差 卫星钟差 对流层和电离层 改正 因此伪距改正值可表示为 rc D D r 2 3 r 伪距的量测值 这时主站向用户站提供的伪距差分信息为 rc r 和他的变率 用户站通过数据通讯链收 到上述差分信息后 进行定位计算 用户站后续的计算模式类同于 GPS 单点定位 只是对 用户站测到的伪距 须利用上述差分信息进行相应改正 伪距差分变率的作用参见以后将 提到的差分信息的 讯龄 这一节 总之伪距差分的有效作用距离实际上取决于主站和用 户站二者误差的时空相关程度 在平原和丘陵地区 这一差分改正信号的有效覆盖距离一 般不大于 100 150 公里 相对主站的定位精度在 5 10 米 2 2 2 载波相位差分技术的及计算模式 设在 L1 和 L2 频道上的载波相位差的数学模型为 D B b T N n 2 4 表示载波相位测量值中已经除去整周值 N 后的分数周值 表示 对应的距离量 N 载波相位整周数 相应频道的波长 利用载波相位差分进行实时 GPS 定位是当前研究的热点 利用伪距进行定位相对于载 波相位来说精度较差 但后者有一个最大的缺点就是要解决整周模糊度 即 N 一般原理是 在动态 GPS 定位测量开始之前的静止状态下 用某种技术来确定 N 即使如此 当用户站在 动态下 往往出现对 GPS 信号的失锁 这样就需要重新确定 N 这意味着整个动态实时载波 相位差分 GPS 工作要重新开始 最近几年发展的动态实时快速确定整周模糊度技术 OTF 虽然有长足进展 但即使如此 在通常情况下 若用户站周围没有很多天线干扰和障碍物 等 且用户站周跳很少发生 则利用这一技术的有效作用距离目前一般还很难超过 30 公里 但其定位精度高 可达到和超过 dm 量级以上 可用于飞行器进场着陆等高精度导航之用 类似于 2 3 式 载波相位的差分改正 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 8 c D N 2 5 式中符号意义同 1 4 主站将 c 和 N 以及他们的变率传输给用户站 作为用户站定位之用 但用户站仍须 用 OTF 技术迅速决定自己的整周数 N 以求得自己的位置 由于相位差分定位精度很高 还顾及主站的钟差 因此 RTCM 无线电技术委员会海洋组 推荐在传送相位差分信息同时 也应考虑传送钟差改正及其变率的信息 2 2 3 载波相位平滑单频道伪距差分技术的计算模式 由于载波相位定位精度很高 因此人们一直考虑如何利用这一观测量来平滑伪距 因此设计一种迭代形式的过滤技术 不断改变经载波相位平滑后的伪距的权 若遇到 一个周跳 可以重新设置开始新一轮的平滑过滤 下面介绍用 GPS 载波相位平滑单 频道伪距的过滤技术 设相距观测值 和伪距差观测值 r 已作电离层 对流层改正 设在 GPS 相邻历元 i 1 和 i 有相应观测值 i 1 i 和 Ri 1 Ri 则用以下递推公式推算由载波相位的相距来 改善伪距的精度 Ri k 1 Ri 1 i k Ri k 2 6 式中 i i i 1 2 7 k 是一个给定的常数 决定上述回归过滤技术的速率 其他符号意义同前 式 2 6 的实质是在伪距的计算中逐渐加大相应经相距修正的权 在实用中可以将式 2 6 式改写 为下式 Ri P i k 1 Ri 1 i k PriRi k 2 8 式中 P i Pri 可理解成 i Ri 的权 可按下式给定 Pr1 1 0 P i 1 0 Pr1 0 0 2 9 Pri Pri 1 0 01 当 0 01 Pri 1 00 2 10 P i P i 1 0 01 当 0 00 P i 0 99 2 11 若遇到一个周跳 则上述平滑过滤过程式中式 2 8 中的 P iPri 的赋值 须从式 2 9 重新启动 以上的平滑过滤技术适用于单频道接收到的伪距 如 RL1 由式 2 8 求得了 经载波相位平滑后的伪距 Ri 后 往后的伪距差分计算模式仍类同于式 2 3 利用这类差 分的定位精度在 3 5m 2 2 4 载波相位平滑双频道伪距差分技术的计算模式 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 9 若用户站的 GPS 接收机除了能接收到 L1 频道上的伪距 RL1 之外 还能在 L2 上接收互 相关的 Y 码值 即 Y1 Y2 则由式 2 2 可求得相应于 L2 频道上的伪距 RL2 由下式可获 得已消除电离层影响的伪距 Rt Rt RL2 mRL1 1 m 2 12 其中 m 70 66 2 式中可求得消除电离层影响的相位 t 1 L1 2 L2 2 13 式中 1 f12 f21 f22 2 f1f2 f12 f22 2 14 式中 f1和 f2分别表示相应于 L1 和 L2 频道上载波的频率 因此式 2 12 和式 2 13 中的伪距 Rt 和相位 t除了噪声 多路径影响和可能的 整周模糊度之外 是不再或很少再含有其他系统误差影响 若在没有周跳情况下 在 GPS 历元 i 的伪距 Ri 的最优估计值 Ri 可以由以下各式得到 先求当 I 0 起始历元 时的伪距 R0 Ri Ij 1 j 2 15 式中 j 的意义同式 1 7 同时式中的 R 和 来自式 1 12 和 1 13 中已消除电 离层影响的 Rt 和 t 但在式 1 15 1 16 和 1 17 中都略去了下标 t 由式 1 15 中不同 i 所对应不同的 R0 算得平均值 R0 nI 0 Ri Ij 1 j n 2 16 由此可得历元 i 时伪距的最优估计 Ri R0 Ij 1 j 2 17 用这一方法求得的伪距精度较高 在不同卫星高度角时 都达 0 5m 左右 至于后续的计算 伪距差分的情况基本类同式 2 3 利用这种差分定位精度可以达到 1 3m 这 4 类差分方式的工作原理是相同的 既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 发送改正数的具体具体内 容不一样 其差分精度也不同 测地型接收机利用 GPS 卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度 但为了 可靠地求出相位整周模糊度 要求静止观测一两个小时或更长时间 这样就限制了在工程 作业中的应用 于是探求快速测量的方法应运而生 例如 采用整周模糊度快速逼近技术 FARA 使基线观测时间缩短到 5 分钟 采用准动态 Stop and Go 往返重复设站 Re Comment ckz1 Page 10 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 10 occupation 和动态 Kinematics 来提高 GPS 作业效率 这些技术的应用对推动精密 GPS 测量起了促进作用 但是 上述这些作业方式都是事后进行数据处理 不能实时提交成果 和实时评定成果质量 很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象 差分 GPS 的出现 能够实时给定载体的位置 精度为米级 满足了领航 水下测量等 工程的要求 位置差分 伪距差分 伪距差分相位平滑等技术已成功地应用于各种作业中 随之而来的是更加精密的测量技术 载波相位差分技术 载波相位差分技术即 RTK 技术 Real Time Kinematics 是差分技术中最为精密的一种 它是建立在实时处理两个测站的载波 相位基础上的 能够实时提供观测点的三维坐标 并达到厘米级的高精度 与伪距差分原理相同 由基准站通过数据链实时将载波观测量及站坐标信息一同传送 给用户站 用户站接收 GPS 卫星的载波相位与来自基准站的载波相位 并组成相位差分观 测值进行实时处理 能实时给出厘米级的定位结果 实现载波相位差分 GPS 的方法分为两类 修正法和差分法 前者是基准站将载波相位 修正量发送给用户站 以改正其载波相位 然后求解坐标 后者将基准站采集的载波相位 发送给用户台进行求差解算坐标 前者为准 RTK 技术 后者为真正的 RTK 技术 这里就 主要介绍后者的解算原理 将基准站上观测的载波相位通过数据链传送到用户站 用户站静止不动观测若干历元 后进行计算 求解其相位模糊度 这一过程称为初始化 求差法 即单差 双差和三差三种数学模型 已广泛应用于静态测量中 在很多文献 中已有论述 这里只简单介绍其工作原理 在基准站和用户站上同时在 和 历元上观测了两颗卫星 I j 基准站的载波相位 观测值由数据链实时传送给用户站 这样 用户共获得了 8 个观测值 即式 1 式中 N 为整周相位模糊度 为相位小数 为卫星钟差 为用户接收机钟差 b u u j s j u j u j u u j s j u j u j u u i s i u i u i u u i s i u i u i u b j s j b j b j b b j s j b j b j b b i s i b i b i b b i s i b i b i b Nt Nt Nt Nt Nt Nt Nt Nt 1122 1111 1122 1111 1122 1111 1122 1111 1 t 2 t 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 11 为基准站钟差 单差 将两台接收机在同一历元观测同一卫星的载波相位观测值相减 得到 4 个单差方 程 式 2 从式 2 中看出 单差方程中已消去了卫星钟差 将两台接收机同时观测两颗卫星的 载波相位观测值求差 即同一历元的单差相减 得到两个双差方程 式 3 由式 3 看出 此双差方程中已消去了接收机的钟差 将两台接收机在不同历元上的 观测值相减 即对双差方程求差 得到三差方程 式 4 从式 4 中可看出 此处已消去了相位模糊度 在静态测量数据处理中 主要任务是求解基线矢量 因此它的计算程序是 利用三差 求解出近似的基线长度 再利用浮动双差法求解出相位模糊度和基线矢量 将求得的相位 模糊度凑整后 进行固定双差的计算 最后求解出精密的基线矢量 但在动态的应用中 我们要求的不是基线矢量 而是用户所在的实时位置 因此它的 计算程序如下 1 在初始化阶段 静态观测若干历元 历元数目的多少取决于用户站到基准站的距 离 在数据处理中 重复静态观测的程序 求出相应位置模糊度 并加以确认此 相应模糊度正确无误 2 将求出的相应模糊度代入式 3 中 双差方程中只包括 X Y Z 三个位置 分量 此时 只要观测 3 颗卫星就可进行求解 这样 在实际作业中 观测 4 6 颗星 就可实时准确无误地求解 X Y Z 1222 1111 1222 1111 bu j b j u j b j u j ub bu j b j u j b j u j ub bu i b i u i b i u i ub bu i b i u i b i u i ub NNtd NNtd NNtd NNtd 1111222221 i b i u j b j u j b j u i b i u ij ub tt 22222 11111 j b j u i b i u j b j u i b i u ij ub j b j u i b i u j b j u i b i u ij ub NNNNt NNNNt 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 12 3 将基准站的地心坐标输出 就可求得用户站的地心坐标 4 将当地坐标系与地心坐标的转换参数输出 就可得到当地坐标系的直角坐标 5 采用下式将直角坐标转换为大地坐标 如下式 式中 a 为椭球长半轴 e 为椭球扁率 bbb ZYX Z Y X Z Y X Z Y X b b b WGS u u u 84 m Z Y X XYZ XZY YZX Z Y X Z Y X WGSLocal 0100 0010 0001 84 N B YX X Y tg tge tgeC Z YX tg H L B Local cos 1 1 22 1 212 2 22 1 2 2 12 2 22 1 sin1 e e e b a c Be a N 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 13 载波相位差分技术 RTK 技术既有广阔的前景 又有着很大的难度 由于它的测量 精度高 时间短 所以在快速静态测量 动态测量 准动态测量中得到广泛的应用 能快 速高精度建立工程控制网和实际工程作业 同时 可进一步拓宽到实时三维动态放样 一 步法成图等作业中 例如海上精密打桩工程 定点打孔炸礁 地籍测绘地图等 但是 这一技术仍存在着局限性 例如 基准站信号的传输延迟 给实时定位带来的 误差 高波特率数据传输的可靠性及电台干扰更是影响工作的主要问题 目前 由于这一技术的先进性 已引起 GPS 生产厂商的关注 各种系统 诸如 RTP RTD RTZ 等不断问世 成为差分 GPS 开发的重要方向 2 3 广域差分 GPS 2 3 1 广域差分 GPS 的基本思想 广域差分 GPS Wide Area DGPS WADGPS 技术的基本思想是对 GPS 观测量的误差 源加以区分 并对每一个误差源分别加以 模型化 然后将计算出来的每一个误差源的误 差修正值 通过数据通讯链传输给用户 对用户 GPS 接收机的观测值误差加以改正 以达 到削弱这些误差源影响 改善用户这些误差源的影响 改善用户 GPS 定位精度的目的 因 此既削弱了 LADGPS 技术中对基准站和用户站之间时空相关性的要求 又保持了 LADGPS 的 定位精度 因此在 WADGPS 系统众 只要数据通讯链有足够的能力 基准站和用户站之间的 距离原则上是没有限制的 WADGPS 所针对的这些误差源主要表现在以下几个方面 卫星星历误差 卫星时钟误差 电离层对 GPS 信号传播产生的时间延迟 2 3 2 广域差分 GPS 的工作流程 WADGPS 系统一般由一个主控站 若干个 GPS 卫星跟踪站 一个差分信号播发站 若 干个监测站 相应的数据通讯网络和若干个用户站组成 系统的工作流程分解来看 可 以分为下面五个步骤 在已知精确地心坐标的若干个 GPS 卫星跟踪站上 跟踪接收 GPS 卫星的广播星历 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 14 伪距 载波相位等信息 跟踪站所获得的这些信息 通过数据通讯网络全部传输到主控站 在主控站计算出相对卫星广播星历的卫星轨道误差改正 卫星钟差改正及电离层 时间延迟改正 将这些改正值通过差分信号播发站 数据通讯网络 传输给用户站 用户站利用这些改正值来改正他们所接收到的 GPS 信息 进行 C A 码伪距单点定位 以改善用户站 GPS 导航定位精度 2 3 3 广域差分 GPS 系统的基本构成 卫星跟踪站卫星跟踪站 对卫星跟踪站的要求首先是必须精确知道该站址的三维地心坐标 一般其点位精度 相对于 ITRF 而言 应不低予 0 2m 对站址周围环境的主要要求是希望在 360o视野内至 少能有高度角 5o以上的开阔天空 此外 跟踪站还应配备原子钟 能测定电离层时间延迟 的双频 GPS 接收机 自动气象记录仪等 跟踪站的任务是将其原始伪距观测数据 气象观测数据和当地电离层时间延迟改正 等各类数据实时或准实时的传输到主控站 其中伪距观测数据主要用来计算卫星钟差 一 般要求 1 秒钟一个采样 应而 1 秒就应传输 1 组观测数据 为了使主控站能正确算出这三项差分改正 至少需要三个跟踪站 但为了改善计算 结果的精度和进行检核 一般在 WADGPS 系统中 跟踪站个数不低于 4 6 个 用户站用户站 WADGPS 系统中的标准用户站应该是利用 C A 码的单频 GPS 接收机 用户站周围也 希望在 360o视野内有高度角 15o以上的开阔天空 用户站还应具有能接收由差分信号播发 站发送的差分改正信息的能力 用户站 GPS 接收机中的软件应保证这些差分信息能实时解 出用户站的坐标 主控站主控站 在 WADGPS 系统中最关键的是主控站 它通过数据通信网络接收各个跟踪站传输的 GPS 伪距观测值和电离层时间延迟改正值 结合本站相应的 GPS 数据 计算三类广域差分修正值 即对每一颗 GPS 卫星的星历改正 钟差改正和电离层时间延迟改正的 8 个参数 然后通过 数据通信网络将这些差分信息传输给差分信息播发站 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 15 差分信息播发站和数据通讯网络差分信息播发站和数据通讯网络 WADGPS 的数据通信网络和 LADGPS 的数据通讯链的主要区别在于多了跟踪站与主控站 之间的数据通讯 主控站或播发站的数据传输和播发 数据通讯中的编码器和用户的解码 器的功能都和 LADGPS 类似 但该系统要求覆盖面广 传输的信息量大 因此 WADGPS 中的 跟踪站到主控站的数据传输和播发站向用户站的差分信息传输 常常须选用长波 卫星通 讯等 显而易见 WADGPS 系统中的数据通讯具有数据量大 速度要求快 通讯距离长 覆 盖面大的特点 因此数据通讯网络是 WADGPS 技术中最复杂 投资最为昂贵的部分 2 3 4WADGPS 的技术特点 WADGPS 向用户站提供主控站计算出的主要误差源的差分改正值 从而顾及了误差源 对不同位置测站观测值影响的区别 所以 WADGPS 技术克服了 LADGPS 技术对时空的倚赖性 而且保持和改善了 LADGPS 中实时差分定位的精度 WADGPS 技术的特点是 主控站和用户站的间隔可以增大至 1000 1500Km 甚至更长 且不会显著降低用户 站定位精度 因此在中国这样大的国家里若要维持一定的 GPS 导航和定位精度 相对于 LADGPS 系统而言 WADGPS 系统大大减少了基准站的数量 由于能实时给出主要误差源的差分改正值 对于削弱 SA 的影响 WADGPS 技术的 效果要比 LADGPS 好 见表 3 1992 年 12 月美国斯坦福大学的 C Kee 等人在有 SA 影响时试 验得出的 表 3 技术类型 GPSLADGPSWADGPS 经度误差 m 12 0 60 36 纬度误差 m 26 3 70 26 高程误差 m 49 12 70 54 总误差 m 57 13 20 71 WADGPS 系统的作用覆盖区域可以扩展到一些困难地区 如远洋 沙漠 WADGPS 技术由于要求有较好的硬件 软件和高效率的强大通讯设备 因此投资 运行和维护费用相对说来就比较高 对操作和维持这一系统的技术要求也比 LADGPS 复杂的 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 16 多 同时用户的 GPS 接收机在进行这种类型的差分改正时 需要更完善的接收设备和计算 软件 2 4 数据链与数据格式 差分 GPS 定位系统是由一个基准站和多个用户台组成 基准站与用户台之间的联系 即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的 数据链由调制解调 器和电台组成 通常 坐标差分可选对讲机 而伪距差分 RTK 技术则应选择电台 考虑到森林中 的环境以及对定位精度的要求 实施 RTK RTD 技术时可选择便携的电台及有 RTCM 102 数据接口的手持式 DGPS 接受机 2 4 1 电台选择 目前 市面上的电台分为两类 一类为直接传输 甚高频 VHF 超高频 UHF 一般以视距直接通视的方式 25 W 的功率传输 作用距离达 20 100km 这种设备简单易 用 另一类为地波传输 包括低频 LF 和中频 MF 这种信号能沿地球表面传播 能 饶过建筑物和山丘 作用距离可达 1000 2000km 适合于国家级固定型 GPS 差分站 在森 林资源调查 监测及环境评价定位中 我们选择频率为 60MHz 的 MOTOROLA sm120 UHF 电台 标称作用半径为 50km 实际在山区 林区为 30km 在平原 开阔地区为 50 100km 当然 林区防火了望塔上的 UHF 电台是实施 DGPS 值得利用的资源 可有效 地节省 DGPS 费用 并不影响一旦发生火灾时的通话 语音联系 2 4 2 调制解调器 调制就是利用调制信号 这里指差分改正信号去改变载波的某一参数的过程 常用 载波为正弦波 表征正弦波的参数为振幅 调频和调相解调是调制的相反过程 即从已调 制载波中解调出用户感兴趣的信号 差分改正数等 一般 DGPS 系统选择数字调幅 数字调频 数字调相 RTD 技术选择频移键控 FSK 波特率 1200bit s RTK 技术选择高斯滤波的最小频移键控 MSK 即 GMSK 波 特率为 9600bit s FSK 利用二元数字信号调制载波频率 当数字 1 和 0 分别控制两个独立的载波 频率时 便形成 FSK 调制 已调信号波形为 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 17 式中 初始相位 是在 内均匀分布的随机变量 调制解调器与电台 GPS OEM 之间一般通过 RS 232C 联系 2 4 3NMEA 0183 数据格式 NMEA 0183 是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式 0180 和 0182 的基础上增加了 GPS 接收机输出的内容而完成的 目前广泛采用的是 Ver 2 00 版本 现在 除少数 GPS 接收机外 几乎所有的接收机均采用了这一格式 为了有效地开发 GPS 芯片 必须熟练地掌握这一格式 因此这里将叙述部分与 GPS 定位有关的标准格式 格式定义 数据采用 ANSI 标准 以串口非同步传送 每个字的参数如下 波特率 4800bit s 数据位 8bit 奇偶校验 无 开始位 1bit 停止位 1bit NMEA 183 的每条语句格式如下表所示 符号 ASC 定义HEXDEX说明 起始位2436语句起始位 Access C C hh 地址域 域分隔号 数据块 总和检验域 总和检验数 2C 2A 44 42 前两位为 T ALKER 识别符 后三位为 语句名 域分隔号 发送的数据内容 此符号后面的 2 位数字是总和检验 总和检验数 21 0 cos 1 cos 222 111 tAtS tAtS tSFSK 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 18 终止符 OD OA13 10回车 换行 例如 GGA GPS 固定数据 这是一帧 GPS 定位的主要数据 也是用途最广泛 的数据 2 4 4RTCM 104 数据格式 国际航运事业无线电技术委员会 RTCM 于 1983 年 11 月为全球推广应用差分 GPS 业务设立了 SC 104 专门委员会 以便论证用于提供差分 GPS 业务的的各种方法 并制定 各种数据格式 1985 年 11 月发表了 Ver1 0 版本的建议文件 经过 5 年的实验研究 取得 了丰富的试验资料 对文件版本进行了升级和修改 于 1990 年 1 月公布了 Ver2 0 版本 新版本提高了差分改正数的抗差性能 增大了可用信息量 从多次试验表明 差分定位精 度由原版本的 8 10m 提高到 5m 通常可达 2 3m 如果应用载波相位信息和积分多普勒技 术 则可以使定位精度提高到 1m 这是鼓舞人心的事 现在的商用 GPS 接收机除了编制 自己的格式外 都配有通用的 RTCM SC 104 格式 有的就采用了这一通用格式 为了适应载波相位差分 GPS 的需要 1994 年 1 月又公布了 Ver2 1 版本 这一版本保 留了基本电文 增加了几个支撑实时动态定位 RTK 的电文 开发 GPS 技术的用户已经熟悉了 GPS 电文 在 RTCM 电文的字长 字格式 奇偶校 验规则和其他特性 两种格式的主要差别在于 GPS 电文格式中各子帧的长度是固定的 而 差分 GPS 电文格式采用要变长度的格式 在编辑中要考虑以下因素 增强奇偶校验规则 以检验出数据中的误差 避免将错误改正数发送给用户 提高 用户使用的可靠性 一般用户不需要数据链的奇偶校验 不需要在数据传输过程成中的控制 这样 在 多数应用中 不需要数据链奇偶校验和编码方案 奇偶校验规则 搭接边界规则 求解模糊度符号 在双相调制数据传输中统一协调 解决 采用 30bit 和 50Hz 传输率相匹配 字边界时间为 0 6s 的整倍数 便于定时控制 以 前采用的 32bit 只能在 16s 内有一次相遇 RTCM 104 格式共有 21 类 63 种电文形式 比较重要的有电文 1 DGP 改正数 电文 2 DGPS 改正数 时刻 t 的伪距改正数为 00 ttPRCtPRCtPRC 0 tPRC 0 t 毕业论文 南方 RTD RTK 原理及应用 19 式中 为 16bit 的伪距改正数 RRC 为 8bit 的伪距改正数变化率 为第二 字码的改正 Z 记数 经改正后的伪距为 PR t PRM t PRC t PR t 为差分改正后的伪距值 PRM t 为伪距观测值 PRC t 为 t 时刻的伪距改正数 用户差分测距误差 UDRE 的 1 估值可由基准站提供 一般而言 单位权方差 现在将电文格式和类型介绍于后 1 电文格式 各个电文类型的格式不同 每一帧电文由不同数目的 30bit 字码组成 每一电文 字包括引导字和参数组成 字码中前 24 个字为数据 后 6 个字为海明奇偶校验位与 GPS 发射的电文相同 一般计算机都是 16bit 或 32bit 字长 而 SC 104 选择了 30bit 字长 这样 与每秒 50bit 的导航电文相匹配 字的边界将出现在 0 6 秒的整数倍处 应用 0 6 秒单位作为标志参考时间到电文参数的基本时间间隔 参考时间称为修正 Z 计算 他是卫星导航电文中 z 计数形成的 z 计数是 GPS 卫星的基本时间单位 它是 29bit 二进制数 每一帧电文的前两个字为字头 内容都相同 为 8bit 01100110 的引导字 后 接电文类型 参考站识别符 修正 z 计数 每帧增量的序列号 帧长和参考站健康状 况 2 电文类型 SC 104 一共规定了 26 类电文 表 1 有些是固定的 有些是试用的 1 个电文 放弃不用 9 个备用 下面简单介绍几帧最重要的电文 表 1 电文类型状态内容 1 固定差分 GPS 改正数 2 固定差分 GPS 改正