关于GPSRTK的原理及在工程中的技术应用

1、2011年度科技论文 关于GPSRTK的原理及在工程的技术应用 关于GPSRTK的原理及在工程中的技术应用完 成 人：王 洪 阳张 文 博完成时间：二O一一年十月中铁十三局集团机关大院工程项目部关于GPSRTK的原理及在工程中的技术应用内容提要介绍了GPSRTK的工作原理和RTK系统的组成，并阐述了流动站工作范围与RTK定位精度的关系，对RTK的初始化过程、RTK相对于静态定位增加的设备及应用、基准站与流动站信号传输过程作了详细的说明。关键词：RTKGPS翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中文、英文免费在线翻译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持

2、双语对照查看，使您体验更加流畅1 RTK概述RTK（Real-Time-Kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算并进行数据处理，在12秒时间内得到高精度位置信息的技术。1.1 RTK定位技术的作业原理 RTK（Real Time Kinematic）技术又称载波相位动态实时差分技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的技术。它能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标，并达到级精度要求。RTK测量系统一般由以下三部分组成：（1）GPS接收设备。（2）数据传输设备：即数据链，是实现实时动态测量的关键性设备。（3）软件解算系统：对于

3、保障实时动态测量结果的精确性与可靠性，具有决定性作用。RTK定位技术的作业原理是将基准站采集的GPS卫星载波相位观测量通过调制解调器进行编码和调试，经电台数据链发射出去。而移动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时，也接收来自基准站的电台信号。移动站通过解调得到基准站的载波相位观测量，再利用OTF技术对由基准站和移动站采集的载波相位观测量所确定的差分改正数动态求解整周模糊度。在整周未知数解固定后，即对每个历元进行实时处理。只要能保证4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的卫星几何图形，移动站可根据给定的转换参数进行坐标系统的转换，从而实时给出级的定位结果。 精密GPS定位均采用相对技术

4、。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值传输给流动站(DGPS)，这些都称为相对技术，以采用值的类型为依据可分为4类：（1）实时差分GPS，其精度为1m3m；（2）广域实时差分GPS，其精度为1m2m；（3）精密时差分GPS，其精度为1cm5cm；（4）实时精密时差分GPS，其精度为1cm3cm。差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类。前两类定位误差的相关性，会随基准站与流动站的空间距离的增加而迅速降低。故RTK采用第三类方法。RTK的观测模型为：因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射的影响在实际的数据处理中一般采用双差观测值方程来解算，在定位前需确定整

5、周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（OnTheFly即OTF）。实现OTF的方法有很多种，美国天宝导航有限公司的做法是：采用伪距和相位相结合的方法，首先用伪距求出整周未知数的搜索范围，再用相位组合和后继观测历元解算和精化；利用伪距估计初始位置和搜索空间，快速确定精确的初始位置。1.2 RTK测量数据处理的关键技术转换参数的求解RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的，而各种测量和定位工作都是在国家或地方坐标系中进行的，这就存在坐标转换问题。静态测量中，坐标转换是在事后处理进行，而RTK测量多数用于实时测量，要求能实时地提供国家或地方坐标，因此，首先必须求出测区的坐标转换参数，它是影响测

6、量成果精度如何的关键因素。实现成果从WGS-84坐标系中转换到国家或地方坐标系中，实际上是两个不同椭球之间的成果转换。其转换思路如下图（2-1）以北京54坐标为例。WGS-84经纬度WGS-84空间直角椭球转换北京54空间直角北京54经纬度坐标投影北京54平面坐标北京54坐标三个已知点计算七参数一个已知点计算三参数投影参数设置三个或者以上已知水准点计算高程拟合参数参数GPS大地高正常高参考文献 ： 图2-1 （WGS-84坐标系至54北京坐标系坐标转换流程图）1.3RTK的系统组成我们以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例介绍RTK系统组成。天宝RTK系统由两部分组成，。2

7、RTK系统基准站的组成和作用RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成。RTK系统基准站的作用是求出GPS实时相位差分改正值，然后将改正值通过数传电台及时传递给流动站以精化其GPS观测值，进而得到更为精确的实时位置信息。GPSRTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。一般数据链电台采用400MHz480MHz高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站接收天线之间没有遮挡信号

8、的障碍物。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链电台的发射天线，应距离GPS接收天线至少2m，最好在6m以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。电台所使用的频率和电台功率必须经过国家和当地无线电管理部门批准，使用时可能会受到某些限制。RTK数据链无线电发射机（TRIMMRK）的工作频率为UHF频段（400MHz480MHz），当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加，如下式所示：发射距离（半径）（2）。式中：4.24天宝公司的经验值；H1电台的天线高度；

9、H2流动站的天线高度。我们通过举例来说明流动站工作范围的计算过程。解：已知H1=9m，H2=2m，流动站在开阔地带工作的最远距离为:发射距离(半径)。需要指出的是，该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值。根据经验，在城市环境中，只有架设在高楼顶上，无线电数据链电台发射距离才可能达到10公里。无线电数据链电台发射功率为25W，其耗电量大，因而直流电源的电流应大一些，一般选择12V/60A或12V/120A为宜。3 RTK流动站的组成和作用流动站的UHF电台接收基准站的信号，同时也接收相同的卫星信号，用配备的TSC1控制器进行实时解算。流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另

10、配电池。基准站GPS接收机与TRIMMRK电台之间的数据传输波特率为38400，TRIMMRK电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400。 为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对。选择的控制点应有代表性，并均匀地分布在整个测量区。（1）若基准站安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其他坐标系）。（2）若基准站安置在未知点上，（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），

11、在启动基准站时，则需输入该点的WGS84坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其他坐标系）。求得WGS84坐标的方法是：开机后，在TSC1控制器上进行初始化操作，然后按here键即可求得该点的WGS84坐标。（3）虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测量区内必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关。在放置好基准站并启动流动站后，用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比较，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须输入该点的原有坐标。4 RTK定位测量的准备工作RTK定位测量的准备过程如下：（

12、1）外业踏勘。（2）收集资料。 （3）制订观测计划。（4）星历预报。（5）器材准备：经检定合格的GPS接收机基准站+流动站（含TSC1）一套;12V/60A电源（含充电器），数据链电台一套;手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个）;每台GPS接收机配观测记录手簿一本。（6）运输工具：自备汽车或租车。5 RTK的作业方法5.1架设基准站将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，架设电台和天线。启动基准站，在TSC1控制器中进行如下操作：按on/off键，打开TSC1控制器，则其自动调用主菜单。选择Files(文件)来建立新工程如下：（1）建立新工程：给工程起一个文件名。（2）选择工程管理（Jobma

13、nagement）并确认。（3）在选择坐标系统窗口中选用手工键入参数（Keyinparameter）。（4）在键入参数窗口中设置投影参数（Projection）。（5）在输入椭球参数窗口中选择：投影方式TransverceMercator(横轴墨卡托投影)。Falsenorthing（北偏）0.000m(北偏为0)。Falseeasting（东偏）500000.000m(东偏500km)。originlat(纬度)00000.0000N。centralmeridian1140000.0000E(当地中央子午线经度)。scale（尺度比）1.000000。semimajoraxis6378245

14、.000m(BJ54椭球长半轴)。Flattening（扁率分母）298.300000。若在同一测区，椭球参数只需输入一次即可，如再进入其他测区，则需重新输入其他测区的椭球参数。（6）在键入参数窗口中选择输入转换参数，有以下三种情况：Notransformation（没有4坐标，则选此项。Threeparameter（三参数）若基准站有BJ54坐标，则选此项，此时将测区的参数输入即可，也可输入0。Sevenparameter（七参数）一般不考虑。到此，一个新工程项目建立完成。5.2启动基准站点击TSC1控制器Survey（测量）图标，进入测量方式菜单。（1）在（SurveyStyles）测量工

15、作方式菜单中选TrimbleRTK（实时动态）。（2）在（Survey）测量菜单中选Startbasereceiver（启动基准站）。（3）显示连接接收机后，输入基准站所在控制点的名称、天线高度。若控制器已储存该点的坐标可直接按Start（F1键）；若控制器没有该点坐标信息，则按here（F3键）求得该点的WGS84坐标（伪距），然后按回车键直到高程变化趋于稳定，然后按Start（F1键）即可。当提示控制器可以离开接收机，即表示基准站已启动，可以将基准站接收机上的电缆插头拔下（可带电插拔）。但此时控制器并不显示电台的标志，只有启动流动站后才会显出电台标志。5.3启动流动站将TSC1控制器上的电

16、缆插头插入流动站GPS接收机，在（Survey）测量菜单中选StartSurvey（开始测量），此时在TSC1控制器的窗口下部即显示如图4所示画面。图4中，4800表示TSC1控制器所连接的GPS接收机型号；卫星图标中的“5”表示搜索到的卫星颗数，RTK测量时不能少于5颗；电台图标中若两个小灯交替闪亮，则表明无线电数据链已连接；“H”和“V”分别代表水平和高程精度；“PDOP”代表空间位置精度因子值；当RTK=FIXED（固定解）时，初始化完毕，可以开始测量；当RTK=float（浮点解）时，初始化不成功，必须等RTK=FIXED时方可测量。5.4开始测量RTK测量一般有以下几步操作：（1）测

17、量点（Measurepoints）。（2）连续的碎部点的采集（Continuoustop）。（3）输入方位、距离、计算不可到达的点位（Offsets）。（4）放样（Stakeout）。6 RTK测量工程实例及精度评定6.1 RTK应用于5秒级控制测量测绘信息网2005年我院在佛山市高明区杨梅镇26平方公里1：500地形测量中，首次采用RTK技术来代替常规5秒级导线测量。本次基准站均设置在测区中部的制高屋顶上，符合基准站的架设条件，与已知点的距离在2.03.5km之间。本次测量共选取和联测能有效控制测区和具有较高精度的8个C、D、E级GPS点和10个三、四等水准点，来参与求取两坐标系之间高精度的

18、转换参数。所选控制点精度统计见下表3-1。表3-1 （参与坐标转换控制点精度统计表）点名等级Mp()Mh()点名等级Mp()Mh()杨梅镇政府C9.67.84D4075D10.65.17溅 岗C8.36.83GI04E8.95.44后 山 岗C10.13.21GI16E9.97.69对川茶场C5.06.45GI25E12.37.21D5014D7.95.31GI34E6.58.50D4052D12.32.55GI42E11.46.62D4055D14.44.63GI57E7.96.98通过上述点解算出两坐标系之间的转换参数，水平残差最大为3.1，垂直残差最大为0.7。为了检验此参数的精度，另用

19、4个控制点进行参数检核，比较结果如下表3-2。较差结果说明参数转换效果良好。为了提高待测点的观测精度，将移动站安置在脚架上进行对点观测；主机内精度指标预设为点位中误差2.0，高程中误差2.0；同时要求观测中平面和高程中误差均小于1.0时才进行记录。表32 （检核控制点坐标残差比较表）点 名静态GPS平差成果M大地坐标转换成果M残差xyzxyzxyzGI0792409.279441346.31760.98792409.286441346.33060.97771310GI2482554.186446780.84046.45982554.176446780.84946.44810911GI40824

20、61.402453613.19951.55382461.411453613.18751.56691213GI5478826.468458965.91253.53478826.458458965.92353.544101110众多数据表明，RTK确定的整周模糊度的可靠性最高为95，其比静态GPS多出一些如数据链传输误差、电台易受干扰、基准站信号传输延迟等因素，因此必须对RTK测量进行质量控制，方法有：测绘信息网（1） 已知点检核比较法：利用一些静态GPS或者全站仪施测的控制点，用RTK测量这些点进行坐标和边长比较检核。（2） 重测比较法：每次搬换基准站或者初始化成功后，先重测12个已测过的RTK

21、点或高精度控制点进行坐标比较检核。对于用GPSRTK采集的5级控制点的点位精度，我们进行了比较，结果表明，RTK采集的点位精度完全能满足城市测量规范中规定的四等网以下最弱点的点位中误差MW（相对于起算点）5的要求。精度统计及部分成果比较分析如下： （1） 精度统计分析如下表3-3。表3-3 （采集点精度统计表）控制点平面中误差（）Mp均值: 18.7 高程中误差（）50151520数 量386118504百分比（）76.623.4100（2） 部分点通过静态GPS或者全站仪获得的坐标与RTK测得的坐标较差比较如下表3-4。测绘信息网表中平面坐标较差值最大为15，最小为12.8，较差值的中误差=

22、13.64。高程较差值最大为 14 ，最小为 9 ，同理算得较差值中误差为11.73，平均值中误差为8.29。如果四等水准网高程中误差取20，RTK高程测量的中误差采用其预设精度20，则利用误差传播定律可以得到高程较差理论中误差为28.2，高程较差允许误差为56.4。可见表中求得的高程较差中误差小于高程较差理论中误差。表3-4（部分采集点常规方法与RTK成果比较较差表）点 名静态GPS平差成果（m）RTK成果（m）残差（）xyzxyzxyzGI0992134.625441408.71562.96192134.618441408.72662.95071111GI3582554.186446780

23、.84046.45982554.177446780.85146.4589119GI4382732.346446516.49046.54982732.334446516.48546.56212513GI5782460.150453868.84351.20082460.158453868.83351.21481014GI6482461.402453613.19951.55382461.390453613.19051.56412911（3）同一点位由不同基准站测量获得的RTK结果较差统计如下表3-5。表3-5 （不同基准站测量成果较差表）点 位不同基准站x（）y（）H（）A025后 山 岗D5014

24、171210A095D4052溅 岗15911A174GI16D407511146A231GI42D405512109A403GI34GI5413910表中平面坐标较差值最大为20.8，最小为15.6，较差值的中误差=17.61。高程较差值最大为11，最小为6，同理算得较差值中误差为9.36，平均值中误差为6.62。4 同基准站不同时刻重复RTK测量获得的同一点位坐标结果较差统计如下表3-6。表中，RTK点两次观测值坐标较差最大值为16.28，最小值为10.82。考虑到两次观测采用了同一基准站，观测条件基本相同，可以将其视为同精度双观测值的情况，进而求得观测值中误差和平均值中误差。观测值中误差

25、为：10.09平均值中误差为： =7.13而高程较差值最大为15，最小为7，同理算得较差值中误差为7.70，平均值中误差为5.45。测绘信息网表3-6 （同基准站不同时刻重复RTK测量成果较差表）点 位坐标较差x（）y（）z（）A05591015A0766912A1537129A18611910A2191097A25591211A30713712A35112119A39091114A44681310A50011108（5） 同时，我们使用2级徕卡TC905全站仪对RTK控制成果进行了角度和边长（按照5级导线精度）的检测，检测结果如下表3-7所示。表3-7 （全站仪检测结果与RTK测量结果比较表

26、）序号测站零方向反算夹角()实测夹角()夹角差值()待测点反算边长(m)(RTK)实测边长(m)(全站仪)边长差值(mm)1A006A007294.482294.480+22A053A05219018091901818-9A054317.674317.672+23A092A09118221531822156-3A093187.396187.390+64A138A137182010918201090A139346.274346.280-65A164A16317522451752240+5A165256.012256.015-36A208A20718435141843505+9GI28308.72

27、8308.718+107A335A33417532251753224+1A336316.609316.620-118A396A39518527231852710+13GI42242.698242.69809A421A42017435541743557-3A422322.402322.407-510A475A47418159291815930-1D4055313.658313.646+1211A501A50015358131535828-15A502285.846285.847-1注：夹角差值=反算夹角(RTK)实测夹角(全站仪)边长差值=反算边长(RTK)实测边长(全站仪)表4-7中夹角差值中

28、误差为7.8，边长差值中误差为6.6。边长差值最大为+12，边长差值相对误差最大为1/26000，以上均满足城市测量规范中对5级导线1/20000的要求。由以上比较结果可知，RTK测量精度较高，完全可以达到5级控制测量精度要求。6.2 RTK应用四等水准测量 测绘信息网 在南昌某区1：500地籍测量项目中，在进行RTK图根控制测量的后，为了考证RTK是否能在相同等情况下取代四等水准进行高程控制测量，我们采用常规手段又对大部分RTK控制点进行了四等水准测量。水准平差后，每公里高差中误差为3.2，最弱点高程中误差为6.5。四等水准测量与RTK高程测量成果较差如下表3-9所示。 表3-9（四等水准测

29、量与RTK高程测量成果较差表）序号点名高程（）序号点名高程（）1TC01+2.124TC24-2.82TC02-4.625TC25-1.43TC03-2.126TC26+3.14TC04-2.627TC27-2.25TC05-4.828TC28+1.16TC06+2.329TC29+2.87TC07-2.830TC31-1.58TC08+4.631TC32-3.39TC09-2.832TC33+1.910TC10-3.433TC34-0.111TC11+3.234TC35+0.112TC12-2.935TC36-1.013TC13-2.136TC37+0.414TC14+2.337TC38+0

30、.515TC15-2.038TC39-1.216TC16+3.039TC40+1.517TC17+3.040TC41-0.418TC18-1.341TC42-1.019TC19+0.242TC43+2.420TC20-0.243TC44-0.221TC21+2.544TC45+0.522TC22+1.745TC46-1.623TC23-2.646TC47+2.0表中高程较差最大为4.8，最小为0.1，高程较差中误差为2.3。如果四等水准网高程中误差取2.0， RTK高程测量的中误差采用其预设精度2.0，则利用误差传播定律我们可以得到高程较差理论中误差为2.8，高程较差允许误差为5.6。可见表求

31、得的高程较差中误差小于高程较差理论中误差。证明RTK高程测量能够满足城市测量规范对四等水准网的精度要求。7 RTK的误差特性分析测绘信息网7.1GPS系统和仪器性能引起的误差7.1.1同仪器和干扰有关的误差：包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素。（1）天线相位中心变化：天线的机械中心和电子相位中心一般不重合，而且电子相位中心是变化的它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。天线相位中心的变化，可使点位坐标的误差一般达到3-5。因此，若要提高RTK定位精度，必须进行天线检验校正，检验方法分为实验室内的绝对检验法和野外检验法。（2）多路径误差：多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。

32、多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为几CM，高反射环境下可超过10。多径误差可通过下列措施予以削弱：A、选择地形开阔、不具反射环境的点位作为基准站点。B、采用扼流圈天线。C、采用具有削弱多径误差的各种技术的天线。D、基准站附近辅设吸收电波的材料。（3）信号干扰：信号干扰可能有多种原因，如无线电发射源、雷达装置、高压线等，干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。为了削弱电磁波幅射副作用，必须在选点时远离这些干扰源，离无线电发射台应超过200米，离高压线应超过50米。（4）气象因素：快速运动中的气象峰面，可能导致观测坐标的变化达到1020。因此，在天气急剧变化时不宜进行RTK测量

33、。7.1.2同距离有关的误差：包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。 对固定基准站而言，同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱。而同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大，所以RTK的有效作业半径是非常有限的（一般为几公里）。 （1）轨道误差：目前，轨道误差只有几米，其残余的相对误差影响约为1PPM，就短基线（10）而言，对结果的影响可忽略不计。（2）电离层误差：电离层引起电磁波传播延迟从而产生误差，其延迟强度与电离层的电子密度密切相关，电离层的电子密度随太阳黑子活动状况、地理位置、季节变化、昼夜不同而变化。利用下列方法使电离层误差得到有效的消除和削弱：利用双频接收机将L1和L2的观测值进行线性组合来消除电离层的影响；利用两个以上观测站同步观测量求差（短基线）；利用电离层模型加以改正。（3）对流层误差：对流层误差同点间距离和点间高差密切相关，一般可达3Ppm。为了保证级精度，要对测站有关的误差一起模拟。7.2观测方案引起的误差观测方案将对RTK测量结果的质量和可靠性产生重大影响。观测方案的主要内容包括：基准站位置的选择，参与参数转换控制点的选取，坐标系统的选择，采集历元数，观测次数等。选择不同的控制点求解