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1.1GPS基本定位原理
GPS由三个独立的部分组成:
●空间部分:
21颗工作卫星,3颗备用卫星。
●地面支撑系统:
1个主控站,3个注入站,5个监测站。
●用户设备部分:
接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。
GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
1.
图1-1GPS基本定位原理示意图
GPS的基本定位原理是:
卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收这息后,经过计算求出接收机的三维位置,三维方向以及运动速度和时间信息。
1.2载波相位差分技术
GPSRTK就是实施动态载波相位差分技术,属于相对定位技术中的一种。
基本原理是将已知坐标点上的观测值与已知坐标等,通过数据连实时传送到同步观测的另一运动点上,利用两点之数据的相关性对未知点坐标进行改正后,使未知点获得满意的定位结果。
实践证明,点的平面定位精度已达到了厘米级。
整个系统由一个参考站,一个以上流动站,一个以上电台中继站及数据处理系统四部分组成。
系统工作原理:
参考站,流动站同时接收4颗以上的相同卫星(初始化需5颗),设立在已知点上的参考站,将接收到的卫星信号及控制器中输入的WGS-84系参考坐标,借助于电台数据链实时的传送给流动站。
流动站将本机接收到的卫星信息和参考站发来的信号,现场实时处理出WGS-84系坐标,并根据转换参数及投影方法实时计算出流动站的平面坐标和海拔高程。
图1-2RTK工作原理
图2-2动态相对定位示意图(RTK)
图1-3RTK测量示意图
图1-3RTK定位示意图
在图1-3中是以地面观测站为基准站,安置在其上的接收机固定不动,而另一台接收机的位置是运动的(观测者背着流动接收机),于任一历元t,从运动点
至所测卫星
的几何距离可写为
(1-2)
其中,
——在协议地球参考坐标中,所测卫星的
的瞬时为止向量;
——在同一参考系中,运动点
的瞬时位置向量。
测相伪距的观测方程可写为
(1-3)
如果周周未知数
已经确定,那么上式便可改写为
(1-4)
其中
由此,若忽略大气折射残差的影响,则可得单差观测方程
(1-5)
如果采用双差模型
(1-6)
求出时间和相位,即可确定流动站相对于基准站的准时位置。
基准站位置已知,通过内置软件自动结算,即可显示出当前坐标。
此技应用到GPS定位中,即载波相位RTK技术。
2RTK
2.1什么是RTK
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,它采用了载波相位动态实时差分(Real-timekinematic)方法,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。
高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值,RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。
在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。
流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,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,同时给出厘米级定位结果,历时不到一秒钟。
流动站可处于静止状态,也可处于运动状态;
可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。
在整周未知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果。
各种控制测量传统的大地测量、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RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、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,而且大大提高工作效率,测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。
2.2RTK的基本工作条件
1 基准站和移动站同时接收到5颗以上GPS卫星信号。
2 基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准站发出的差分信号。
3 基准站和移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号。
即移动站迁站过程中不能关机,不能失锁。
否则RTK须重新初始化。
2.3RTK技术优点
1 作业效率高。
在一般的地形地势下,高质量的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,在一般的电磁波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RTK的基本工作条件,在一定的作业半径范围内(一般为4KM),RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。
如Ashtech的Z-XRTK的点位精度可由于优于2。
5CM。
3 降低了作业条件要求。
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,PTK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RTK的基本工作条件,它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。
使测量工作变得更容易更轻松。
4 RTK作业自动化、集成化程度高,测绘功能强大。
RTK可胜任各种测绘内、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。
5操作简便,容易使用,数据处理能力强。
只要在设站时进行简单的设置,就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。
数据输入、存储、处理、转换和输出能力强,能方便快捷地与计算机、其他测量仪器通信。
2.4RTK接收机
1.GG-RTK接收机(GPS+GLONASS)
AshtechGG-RTK接收机是第一台使用双卫星系统的厘米级实时动态测量(RTK)接收机。
先进的GG-RTK系统可用于那些遮挡比较严重、接收到的GPS卫星少于五颗的地区,如露天矿区和城市。
初始化时间短:
进行RTK初始化时,接收机要计算天线至卫星的载波相位波长整周数处理。
在整周数确定之前的定位解是浮点解,整周数固定后的解是固定解。
由于使用双卫星系统,GG-RTK便能在那些只使用GPS的其他接收机无法固定整周数。
跟踪的卫星数越多,固定整周数越快,当可以所顶14颗或更多卫星时,初始化仅需几秒钟。
初始化是自动进行的,初始化期间,不需要接收机静止,也不需要任何输入。
多功能基准站:
一个GG-RTK基准站可以同时播发GPS和GLONASS的差分改正,还可以播发RTK数据的差分改正。
因此只使用一个GG-RTK基准站便能为多台各种组合的差分流动站(DGPS,差分GPS+GLONASS)、RTK导航、RTK测量和后处理测量)提供差分改正。
GG-RTK使用国际通用的RTCM标准,所以如果购买了其他的型号的流动站,GG-RTK仍能作为基准站使用。
内置电台:
进行RTK作业时基准站和流动站需要数据链来建立通讯。
GG-RTK可以选择内置扩频电台,其工作频率为902到928兆赫。
2.GPS测量系统9800天王星双频RTK
新9800天王星双频RTK是南方公司最新推出的新一代高度集成一体化的双频GPS产品,不但继承了以前RTK产品的所有优点,同时增加了薄膜接触式开关按钮、卫星健康状态和数据链接收发射状态指示器,直接即可对卫星情况和数据链进行适时的监控,其性能可靠、耐用的主机锂电池,另外,主机新增液晶显示,基准站可免手薄,直接操作启动,使RTK9800更加轻巧便于携带,更加适合野外作业,全中文的手簿软件,更适合中国国情。
产品特点
1.主机、电源、数传电台一体化集成测绘单元。
2.国际知名品牌OEM板、专业GPS数传电台的RTK优秀解决方案,确保工作稳定性。
3.整机功耗低,17AH基站蓄电配精巧锂电可连续工作12小时。
4.轻便碳纤对中杆、小巧CASIO工业手簿,一体化主机作业轻便灵活。
5.静态作业自动采集,RTK基站自动智能设置,移动站一键飞梭。
6.静态、RTD、RTK功能合一,配备强大得数据解算软件、手簿软件合水上测量解决方案。
配套软件
1.强大的静态数据处理软件,具有星历预报、基线处理、网平差、坐标转换等功能,可以处理多种型号GPS设备的观测数据。
2.Psion或PDARTK测图和放样软件,可以完成各种测图和放样作业,与南方的其它测图软件直接接口。
基准站配置
1.主机(GPS、数传电台、电源)
2.GPS双频天线
3.GPS数据处理软件
4.数据链天线
5.17AH电台电源及充电器
6.基座及连接器
移动站配置
2.GPS三频天线
3.Psion或PDA手簿
4.对中杆
5.1700mAH锂电
6.背包
技术指南
主板
高抗干扰性、高集成性和高可靠性,
共同环跟踪专利技术,低仰角。
跟踪性能
跟踪通道:
独立24通道(12个L1、12个L2)
跟踪信号:
L1的C/A码、P码和L1载波;
L2载波
后处理基线精度
静态定位:
5mm+1ppm
RTK定位精度:
平面:
20mm高程:
优于50mm
RTK作用距离:
标称:
15Km典型:
6-10Km
(与当地环境有关)
首次定位时间
60秒(冷启动)10秒(热启动)1秒(再捕获)
存储器
控制手簿有效存储16M/32M
数据记录
10次/秒
数据输出
CMR或RTCM-SC104
NMEA0183Ver2.3标准N、X、Y、Z、C格式输出
定位数据更新速率:
天线类型:
微带有源天线
尺寸:
195mmx145mmx60mm
重量:
2公斤
工作温度:
-20℃至50℃
存储温度:
-45℃至85℃
3误差及精度分析
3.1RTK精度
RTK技术采用求差法降低了载波相位测量改正后的的残余误差及接收机钟差和卫星改正后的残余误差等因素的影响,使测量精度达到厘米级,一般系统标称精度为1cm+2ppm。
工程实践和研究均证明RTK能达到厘米级精度。
1 RTK的平面精度:
通过对徕卡350RTK的研究表明:
A、数据链信号接收半径超过15公里,但RTK测量结果只在4公里的范围内保持了较高精度(用全站仪检查其中误差在5cm以内),4公里以外的测量结果误差明显增大,测量结果不可靠。
B、接收到的卫星数目越少,测量结果标准差越大,但只要能接收到5颗以上卫星,得出的固定解就能达到仪器标称精度。
2 RTK的测高精度:
为检验Trimble4000SSE(OTF)(标称精度为垂直20mm+2ppm),通过292个点的观测误差分析,得出
(1) 高程观测平均值为93.895m,标准差为8mm。
最大值为93.921m,最小值为93.866m,有97%的数据中误差小于20mm。
即RTK的固定解能达到仪器标称精度。
(2) 当VDOP<
2时,观测结果最优,当VDOP>4时,标准差明显增大,但仍优于标称精度,可见卫星分布对高程精度有影响,但影响不大。
(3) 当接收卫星数目超过6颗时,标准差变化不显著,当接收卫星数目为5颗时,标准差明显增大,但仍优于标称精度。
(4) 可见,只要接收卫星数目超过5颗,VDOP<
4,能得出固定解,这种RTK就能达到测高标称精度。
(5) 北京一家公司在2000年对ASHTECH轨迹GPSRTK系统进行测试,结果表明,RTK测得的X、Y平面坐标同精确值之差的平均值为4-9mm;
高程同精确值之差的平均值,边长小于5km时约13mm,边长10KM时约37mm;
距离同精确值之差的平均值为3mm;
3.2RTK误差
RTK定位的误差来源于测站和距离两方面。
同测站有关的误差
I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。
而电子中心相位是变化的,他取决于接收信号的频率、方位角和高度角。
因此不仅需要测量电子相位中心的平均位置相对于天线机械中心的变化,而且要定义整个可见天球的相位中心的变化。
忽视相位中心的变化,可使点位坐标的误差一般达到3cm,最大可达5cm。
II多径误差多经误差取决于天线之周围的环境。
多经误差一般为5cm。
高反射环境下可达19cm。
多经误差的周期一般为5~20分钟,这对RTK的移动站是个严重的问题。
此外L1和L2的相位中心的变幅可达6cm。
目前的问题是很难将多经误差和天线相位中心误差的变化分开。
III信号干扰主要是电磁波。
>
IV气象因素据研究,快速运动的气象峰面也能导致观测坐标变化达到10~20mm。
2)同距离有关的误差主要是轨道误差(1ppm),电离层误差,对流误差(3ppm)。
由上述误差可知在地形测量中是能满足要求的。
而且在选点和操作过程中要对误差进行克服改正。
研究表明,确定整周模糊度的可靠性,是RTK系统能否实时准确定位的观念。
确定整州模糊度的时间和可靠性取决于四个因素:
单频机和双频机、所测星数、至基地站的距离、RTK软件质量。
在不能满足准光学通视的条件下,应采取以下四项措施:
(1)事先在测区制高点布测GPS控制点,作为今后的基地站。
(2)缩短各点到基地站的距离,使其能光学通视。
(3)提高基地站天线的架设高度。
(4)有地形、地物遮挡时,另增设中继站。
但是,这些措施在外业将增加很多困难。
因此,采用RTK技术要求厘米级定位精度时,国际上一般都限定移动站到基地站的距离为几公里。
4RTK内业预处理
4.1控制网优化设计
优化设计主要包括精度指标的合理确定,网的图形设计和基准设计,目的是满足网的精确性,可靠性和经济性,使各方面在现有条件下达到完美结合。
(1)精度指标
控制网的精度指标通常均以网中相邻点之间的距离误差来表示,其形式为
(4-1)
其中,
——网中相邻点间的距离误差(mm);
——与接收设备有关的常量误差(mm)
——比例误差(ppm或
)
D——相邻点间的距离(km)
表4-1GPS相对定位的精度指标
测量分级
常量误差
(mm)
比例误差
(
相邻点距离(km)
A
≤5
≤0.1
100~200
B
≤8
≤1
15~250
C
≤10
5~40
D
2~15
E
≤20
1~10
(2)图形设计原则
①GPS网采用独立观测边构成闭合图形。
②网间相邻点基线向量的精度应分布均匀。
③GPS网点应尽量与原有地面控制网点重合。
重合点一般不应少于3个(不足是应联测且在网中应分布均匀,以利于可靠的确定GPS网与地面网之间的转换参数。
④GPS网点应考虑于水准点相重合
⑤选点视野开阔,便于联测,利于搬站。
(3)采用三角网
图4.1三角网
控制网采用三角网,网中的三角边由独立观测边组成。
这种图形的几何结构强,具有良好的自检能力,能够有效的发现观测成果的粗差,以保证网的可靠性,同时,经平差后网中相邻点间基线向量的精度均匀分布。
这种观测工作量大,但精度和可靠性高
(4)基准设计
通过整体平差确定控制网的基准。
对于位置、方向、尺度三大基准根据用途确定方法和原则。
地形图主要解决位置基准,通过加权固定点,拟稳平差消弱不均匀点误差。
4.2坐标参数及转换
①当地坐标系(例如北京54坐标系)的椭球参数:
长半轴和扁率倒数。
②中央子午线。
③测区西南角和东北角的大致经纬度。
④测区坐标系间的转换参数。
⑤如果是矿区或地方坐标系,还要输入转到相应坐标系的转换参数。
DGPSRTK测量是在WGS-84坐标系中进行的,而各种工程测量和定位是在当地坐标或我国的北京54坐标上进行的,这之间存在坐标转换的问题。
GPS静态测量中,坐标转换是在事后处理时进行的。
而DGPSRTK是用于实时测量的,要求立即给出当地的坐标,这使得坐标转换工作更显得重要
坐标转换的必要条件是:
至少三个以上的大地点分别有WGS-84地心坐标和北京54坐标或当地坐标,利用步尔莎(Bursa)模型解求七个转换参数。
步尔莎(Bursa)模型为:
(4-2
式中
是两个坐标系统的平移参数,
是两个坐标系统的旋转参数,
是两个坐标系统的尺度比。
在计算转换参数时,要注意下列几点:
(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。
如果选在测区的一端,应计算出满足给定的精度和控制的范围。
切记不可从一端无限制地向另
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