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GPSRTK技术在地形测量中的应用
摘要
GPS-RTK技术是GPS测量技术发展的新突破,目前最大精度已经达到厘米级,已经成为一种快速采集数据和导航定位的有效工具。
相比传统测量方法,它的高效率、高精度以及全天候作业的特点已经得到广大测绘人员及相关部门的广泛应用。
本文主要介绍GPS-RTK运用的基本原理、系统组成、应用范围、技术特点、误差来源,发展方向等。
本文就RTK作业要求、配置以及定位过程做了详细阐述,并以新农村测量为例简要介绍了GPS-RTK技术的主要优缺点,论述了GPS-RTK的主要误差来源,消除使用误差的方法,为工程应用提供参考。
关键词:
GPS-RTK;误差来源;误差改正;传统测量
ABSTRACT
GPS-RTKtechnologyisanewbreakthroughinthedevelopmentofGPSmeasurementtechnology,iscurrentlythelargestprecisionhasbeenachievedcmlevel,hasbecomeaneffectivetoolforrapiddatacollectionandnavigation.Comparedwiththetraditionalmeasurementissue,itshighefficiency,highprecision,all-weatheroperationhasbeenwidelyusedgeneralsurveyingandmappingpersonnelandrelateddepartment.Thispapermainlyintroducesthebasicprinciple,theuseofGPS-RTKsystem,applicationscope,technicalcharacteristics,sourcesoferror,developmentdirection.TheRTKoperationalrequirements,configurationandpositioningprocessaredescribedindetail,andthenewruralmeasurementwerepresented.ThemainadvantagesanddisadvantagesofGPS-RTKtechnique,discussesthemainerrorsourcesinGPS-RTK,usethemethodtoeliminateerror,providereferenceforengineeringapplication.
Keywords:
GPS-RTK;sourceoferror;errorcorrection;traditionalmeasurement
目录
目录5
1绪论7
1.1地形测量概念7
1.2地形测量内容7
1.3地形测量方法8
2GPS定位技术9
2.1GPS系统组成9
2.2GPS工作原理10
2.3GPS误差和削减措施11
2.4GPS选点13
2.5布设特点13
2.6GPS测量中常用的坐标系统15
2.6.1WGS-84坐标系15
2.6.21954年北京坐标系15
2.6.3坐标系统的转换16
2.6.4基准16
2.6.5坐标系变换与基准变换16
3动态GPS技术在地形测量中的应用18
3.1RTK技术原理18
3.2RTK的特点19
3.3RTK控制测量20
3.4RTK碎部测量21
4GPS-RTK实例分析23
4.1GPS-RTK测量23
4.2RTK作业要求25
4.3RTK精度控制26
4.4RTK静态测量实例27
4.5GPS-RTK测量误差分析30
4.6RTK在地形测量中的关键技术31
结论34
致谢35
参考文献36
1绪论
1.1地形测量概念
地形测量指的是测绘地形图的作业。
即对地球表面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程进行测定,并按一定比例缩小,用符号和注记绘制成地形图的工作。
地形图的测绘基本上采用航空摄影测量方法,利用航空像片主要在室内测图。
但面积较小的或者工程建设需要的地形图,在野外进行测图。
对地球表面的地物、地貌在水平面上的投影位置和高程进行测定,并按一定比例缩小,用符号和注记绘制成图的工作。
大面积地形图的测绘基本上采用航空摄影测量的方法,但对面积较小的或者专用于某项工程建设的地形图,一般是在聚酯薄膜或白纸裱糊的测图板上测绘。
1.2地形测量内容
(1)控制测量
控制测量是测定一定数量的平面和高程控制点,为地形测图的依据。
平板仪测图的控制测量通常分首级控制测量和图根控制测量。
首级控制以大地控制点为基础,用三角测量或导线测量方法在整个测区内测定一些精度较高、分布均匀的控制点。
图根控制测量是在首级控制下,用小三角测量、交会定点方法等加密满足测图需要的控制点。
图根控制点的高程通常用三角高程测量或水准测量方法测定。
(2)碎部测量
碎部测量是测绘地物地形的作业。
地物特征点、地形特征点统称为碎部点。
碎部点的平面位置常用极坐标法测定,碎部点的高程通常用视距测量法测定。
按所用仪器不同,有平板仪测图法、经纬仪和小平板仪联合测图法、经纬仪(配合轻便展点工具)测图法等。
它们的作业过程基本相同。
测图前将绘图纸或聚酯薄膜固定在测图板上,在图纸上绘出坐标格网,展绘出图廓点和所有控制点,经检核确认点位正确后进行测图。
测图时,用测图板上已展绘的控制点或临时测定的点作为测站,在测站上安置整平平板仪并定向,然后用望远镜照准碎部点,通过测站点的直尺边即为指向碎部点的方向线,再用视距测量方法测定测站至碎部点的水平距离和高程,按测图比例尺沿直尺边沿自测站截取相应长,即碎部点在图上的平面位置,并在点旁注记高程。
这样逐站边测边绘,即可测绘出地形图。
1.3地形测量方法
表1-1:
地形测量方法
测量方法
使用仪器
原理
经纬仪测绘法
经纬仪
经纬仪测绘法是用经纬仪测绘地形图的一种方法。
测绘时,将经纬仪安置在测区内的控制点上,在旁边放有展绘控制点的测图板;经纬仪对中、整平,水平度盘对准0°,瞄准已知方向定向;再用望远镜观测各地物与地貌点,测出各点的水平距离和高程;按测图比例尺和所测得的数据在测图板上标定各地物与地貌点位,并注出高程,经过逐站逐点测绘,最后在图板上测绘出地形图。
平板仪测绘法
平板和照准仪
平板仪由平板和照准仪组成。
平板又由测图板、基座和三脚架组成;照准仪由望远镜、竖直度盘、支柱和直尺构成。
其作用同经纬仪的照准部相似,所不同的是沿直尺边在测图板上画方向线,以代替经纬仪的水平度盘读数。
平板仪还有对中用的对点器,用以整平的水准器和定向用的长盒罗盘等附件。
全站仪配合电子平板测图法
全站仪电子平板
以全站仪为测量工具的测图方法,其主要工作过程为:
采集数据、处理数据、编辑图形和输出图形。
GPS-RTK测图法
GPS
在取得了可靠的平面及高程成果后,在流动站接收机中建立可靠的转换参数(七参数)。
基准站架殴在已知控制点,设置好基准站。
在进行测量前要校核部分控制点的静态平面成果及水准高程成果,在误差范围内即可进行图根控制点加密及外业的碎部测量了。
只要把流动站放置在你要测的点位置上,(注意一定要使流动站水平气泡尽量在圈范围之内)静置几秒,等候手簿上的提示结束之后居好了。
所有数据全部存储在流动站接收机的PC卡中,避免了以往报、听、记录数据中可能发生的差错,保证了数据采集的完全正确性。
2GPS定位技术
2.1GPS系统组成
GPS系统包括3大部分:
空间部分-GPS卫星星座;地面控制部分-地面监控系统;用户设备部分-GPS信号接收机。
空间卫星系统由均匀分布在地球6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成,卫星每2小时沿近圆形轨道绕地球一周,由星载高精度原子钟控制无线电发射机在"低噪声窗口"(无线电窗口中,至8区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段)附近发射L1、L2两种载波,向全球的用户接收系统连续地播发GPS导航信号。
地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个注入站构成。
该系统的功能是:
监控站用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差,采集气象数据,并将观测数据传送给主控点。
主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入自身的工作状态数据,及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站;控制和协调监测站间,注入时间的工作,检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了GPS用户系统;诊断卫星工作状态,改变偏离轨道的卫星位置及姿态,调整备用卫星取代失效卫星。
注入站接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS和GPS数据处理软件构成。
图1-1:
GPS的构成
2.2GPS工作原理
GPS的工作原理,简单地说来,是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。
首先我们假定卫星的位置为已知,而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离,那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。
进一步,我们又测得点A至另一卫星的距离,则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。
我们还可测得与第三个卫星的距离,就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。
根据一些地理知识,可以很容易排除其中一个不合理的位置。
当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离,也能精确进行定位。
以上所说,要实现精确定位,要解决两个问题:
①确知卫星的准确位置;
②准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。
图1-2:
GPS的定位原理图
2.3GPS误差和削减措施
GPS大地测量的结果精度,受多种系统误差和随机误差的影响。
主要误差可分为四大类:
卫星相关误差、信号传播介质相关误差、接收机相关误差和观测过程相关误差。
表1归纳、总结了这些误差的来源和主要消除或减弱措施。
表1-2:
GPS大地测量中的主要误差和消减措施
误差源类型
误差及性质
消除/削弱
方法
注释
卫
星
相
关
轨道误差
(系统)
模型化
站间差分
来自月亮、太阳和其它行星的引力;地球重力场的非均匀性;非重力作用,如大气拖曳、太阳辐射光压、卫星气体发散、磁力等。
目前精密星历精度可优于3cm。
卫星钟差
(系统)
模型化
站间差分
由钟差、频偏、频漂等产生的误差,也包含钟的随机误差。
经改正后,各卫星钟的同步差可保持在20ns以内,等效距离偏差不会超过6m,卫星钟差和改正后的残余误差,可采用接收机间求一次差等方法进一步消除。
相对论效应
(系统)
模型化
由于卫星钟和接收机钟所处的运动状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差的现象。
信
号
传
播
介
质
相
关
对流层折射
(系统)
模型化
站间差分
限制高度角
对流层温度随高度上升而降低,并有不均匀水汽,GPS信号通过时,传播路径将发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量距离产生偏差。
平流层影响随温度、水汽、信号源高度角变化。
电离层折射
(系统)
模型化
站间差分
双频观测
限制高度角
当GPS信号通过电离层时,信号的路径会发生弯曲,传播速度也会发生变化。
从而使测量距离产生偏差。
电离层影响随太阳黑子活动、季节和每天时段的变化及信号源高度角变化。
接
收
机
相
关
天线相位
中心变化
(系统)
模型化
站间差分
天线的物理或电气相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,与天线的几何中心不重合,这种差别叫天线相位中心的偏移,量值可达数毫米至数厘米。
但相位中心的平均位置,对高性能的天线应稳定在几毫米内。
使用同一类型的天线,在相距不远的同步观测站之间,可以通过观测值求差来部分消弱相位中心的偏移影响。
接收机钟差
(系统)
模型化
星间差分
由接收机内置钟的钟差、频偏、频漂和随机误差等引起的误差。
接收机综合钟差可作为参数及时确定并加以改正。
也可采用卫星间求一次差等方法进行消除。
观
测
过
程
相
关
周跳
(随机)
参数解算
周跳是GPS接收机在累计整周数时出现的不连续,该误差起因包括卫星信号受阻挡、信噪比太低等。
在后期数据处理中,可对周跳进行一定的确定、修复。
观测噪声
(随机)
选择适当的站址
场地周围的强电、磁环境,可造成卫星无法锁定或失锁。
多路径
(随机)
适当站址
适当的天线设计
(如扼流圈天线)
多路径误差起因于直接信号和间接反射信号的干涉。
它与频率有关。
载波相位测量所受影响小于码伪距测量。
几何图像强度
(系统)
采用较长
观测时间
站点位置的定位精度与卫星图形的几何结构有关。
卫星分布图形的影响可以用几何解析度GDOP(GeometricDilutionofPrecision)来描述。
GDOP与测站到各可视卫星的单位矢量所构成的多棱锥的体积成反比,显然,它是随时间变化的。
如果GDOP较小,则表示卫星图形的强度好,相应地,定位误差较小。
观测环境
适当站址
季节因素
电磁、电流干扰;重复观测时采用同季节同时段
2.4GPS选点
(1)为保证对卫星的连续跟踪观测的卫星信号的质量,要求测站上空尽可能地开阔,在1O~l5度高度角以上不能有成片的障碍物。
(2)为减少电磁波对GPS卫星信号的干扰,在测站周围200m的范围内不能有强电磁波干扰源,如大功率无线电发射设施,高压输电线等。
(3)为避免减少多路径效应的发生,测站应远离对电磁波信号反射强烈的地形地物。
为便于观测作业和今后的应用,测站应选在交通便利,上点方便并易于保存的地方。
2.5布设特点
GPS卫星定位技术布设控制网,不仅对点位图形结构没有太多限制,对点位之间的通视条件也没有严格要求。
点位无需选在制高点,也无须建造觇标。
这为GPS网的布设带来了极大的便利。
GPS控制网的主要特点如下:
⑴GPS接收机采集的是接收天线至卫星的距离和卫星星历等数据,要求向上通视不强求点间通视。
⑵GPS控制网淡化了“分级布网、逐级控制”的布网原则。
在城镇及矿区范围布设GPS控制网,分为C级、D级、E级,不同等级网有不同的精度要求。
以往用常规技术测设控制网时,遵循的是分级布网、逐级控制的原则,例如城市三角网分为二、三、四等,平均边长由长到短依次为9km、5km、2km,测角中误差依次为±1"、±1.8"及±2.5"。
各个等级的三角网的精度指标以最弱边边长相对中误差来衡量,依次为1/12万、1/8万、1/4.5万及1/2万,四等以下还需布设一级、二级小三角或一级、二级导线。
三边网的边长规格相同,只是规定了测距精度。
采用GPS技术布设控制网,显然不必分成那么多的等级,对于较小的城市和工程控制网,可以采用全面布设。
采用长短边相结合的分级布网,既能从城市建设和地籍测量的实际要求出发,提高其“邻近精度”,保证所需的密度;又能以长边为控制来限制误差的累积,提高整网的精度。
对于较大的控制网,分级布网更有其必要性,先以点数较少的首级GPS控制网覆盖整个测区,然后就能根据经济建设的需要分期、分区地逐步加密局部的次级网。
在首级网中已顾及了远期发展的需要,加密网则随用随测。
从而大大降低建网初期的费用,是经费投入更加合理、富有成效。
⑶GPS控制网对点的位置和图形结构没有过多的要求,正因为GPS网中各点的位置直接测定,并不是以图形逐点推算,所以点位结构、图形形状均与点的位置精度关系不大。
⑷控制点的位置是彼此独立直接测定的,因此,有关误差的传播和积累关系发生了变化,最弱边、最弱点的概念已不重要。
就城市控制网而言,通常要求四等网中最弱相邻点的点位中误差不得超过5CM,相邻两点的点位中误差通常是利用坐标差的微积分按协方差传播律来求出的。
为了合理的评定相对点位精度,除了设定一端点不含有误差外,还应选定该点上某个方向的方位角不含误差,在此前提下来计算和评定相对点位精度。
于是两点间的相对点位精度也随着所选取的参考方位不同而不同。
这样做更切合实际。
5cm的相对点位误差对于边长为2km的四等边而言相当于1/4万的边长相对精度,而现行规范中规定的四等三角边最弱边相对中误差须小于1/4.5万的要求,相对于边长中误差为4.4cm。
若去另一个参考方位,则待评定点的相对点位中误差的方向与边长方向一般并不一致,若设纵横向方向上的中误差数值相等,于是5cm的点位中误差所相应的边长中误差为3.5cm,相当于最弱边边长相对精度应为1/5.7万。
对于城市控制网所提出的这样的精度要求,即使用单频GPS接收机按照快速静态定位的方法也是比较容易达到的。
因基线向量观测值的精度至少可达10mm+2×10-6D,对于四等网,边长相对精度可达1/14万,对于三等边及二等边则分别为1/25万及1/32万。
当起始数据误差较小时(例如已采用GPS技术作收集控制网)观测值经过平差后精度还会有所增益。
由此可见GPS城市控制网的技术设计不应当仅仅满足于现行规范的精度要求,而应当在精度上留有一定得的存储量,尤其是对边长较大的GPS网首级网点,尽量在一个测段内观测较长的时间,使首级网与次级网精度上有一定的匹配,若是首级网获得超常的高精度,则在加密网中起始数据的误差影响就小的忽略不计。
2.6GPS测量中常用的坐标系统
2.6.1WGS-84坐标系
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。
WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84(世界大地坐标系-84),它是一个地心地固坐标系统。
WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIHl984.0的起始子午面和赤道的交点,Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
WGS-84系所采用椭球参数为:
2.6.21954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。
该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。
建国前,我国没有统一的大地坐标系统,建国初期,在苏联专家的建议下,我国根据当时的具体情况,建立起了全国统一的1954年北京坐标系。
该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,该椭球的参数为:
该坐标系的高程是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值,按我国天文水准路线推算出来的,而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
2.6.3坐标系统的转换
一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。
坐标系指的是描述空间位置的表达形式,而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。
在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置,而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数,及其在空间的定位、定向方式,以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。
2.6.4基准
所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面。
在大地测量中,基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数,如参考椭球的长短半轴,以及参考椭球在空间中的定位及定向,还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。
2.6.5坐标系变换与基准变换
在GPS测量中,经常要进行坐标系变换与基准变换。
所谓坐标系变换就是在不同的坐标表示形式间进行变换,基准变换是指在不同的参考基准间进行变换。
(1)空间直角坐标系与空间大地坐标系间的转换
在相同的基准下,将空间大地坐标转换为空间直角坐标公式为:
(2-1)
(2-2)
(2-3)
其中:
为卯酉圈的半径,
为地球椭球长半轴,
为地球椭球的短半轴。
在相同的基准下,将空间直角坐标转换成为空间大地坐标的公式为:
(2-4)
(2-5)
(2-6)
在采用上式进行转换时,需要采用迭代的方法,先利用下式求出
的初值
(2-7)
然后利用该初值求
、
的初值,再利用所求出的H和N的初值再次求定
值。
将空间直角坐标转换成为空间大地坐标也可以采用如下的直接算法:
(2-8)
(2-9)
(2-10)
其中:
3动态GPS技术在地形测量中的应用
动态GPS技术(GPS-RTK)近年来发展比较迅速,它在各种控制测量、地形测图、工程选线及工程放样中应用广泛,与常规仪器相比非常明显地提高了作业效率和作业精度。
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。
因此RTK技术的运用已经变成测量技术运用中不可缺少的一部分。
3.1RTK技术原理
RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。
通过RTK技术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方法,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为工程放样、地形测图,各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。
RTK技术通常由一台基准站接收机和一台或多台流动站接收机以及用数据传输的电台组成,在RTK作业模式下将一些必要的数据输入GPS控制手簿,如基准站的坐标,高程,坐标系转换参数,水准面拟合参数等;流动站接收机在若干个待测点上设置。
基准站与流动站保持同时跟踪至少4颗以上的卫星,基准站不断的对可见卫星进行观测,将接收到的卫星信号通过电台发送给流动站接收机,流动站接收机将采集到的GPS观测数据和基准站发送来的信号传输到控制手簿,组成差分观测值,进行实时差分及平差处理,实时得出本站的坐标和高程。
图1-3:
RTK系统构成
3.2RTK的特点
作业效率高、质量高
在一般的地形地势下,RTK只需设站一次即可完成半径为4km区域测量,大大减少了传统测量所需的控制点数量以及挪移测量仪器的次数。
操作只需一个作业人员,在一般的电磁波环境下几秒钟即可获取一点坐标,具有高效率高质量的优势。
定位精度高
在一定的作业半径范围内,若满足RTK条件时,其平面精度、高程精度都能达到厘米级标准,且RTK测量的数据可靠、准确。
作业条件限制小
RTK技术只需满足“电磁波通视”,而不是传统要求的两点之间达到光学通视。
所以通视条件、能见度、气候以及季节等因素,对RTK技术造成的影响和限制比较小。
测绘功能大
RTK具有自动化、集成化程度高的特点,强大的测绘功能适用于各种测绘内业和外业。
流动站采用内装式软件控制系统,能自动实现多种测绘功能。
无需人操作,大大减少辅助测量下作量和人为误差,确保精度准确。
操作简便
RTK的设置简单,操作简便,可边走边获取测量结果坐标,甚至进行坐标放样,具备多项功能,包括:
数据的输入、储存、处理、转换以及输出等,能简便快速与计算机及其他测量仪器连接通信。
3.3RTK控制测量
RTK控制测量,按其工作性质可分为外业和内业两大部分,外业工作主要包括:
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