RTK在公路勘测中的应用 毕业论文-GPS测量及数据处理.doc

武汉电力职业技术学院摘要gps即全球定位系统，是利用gps接收机接收卫星信号实现导航定位的一种高新技术，其空间部分由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星轨道高度20 200 km，这些卫星的空间布局可以保证在地球的任一点和任一时刻均可利用gps信号接收机接收4颗以上卫星的信号。在公路工程中，运用gps将使传统的公路测量方法发生根本的变革，对实现公路勘测设计的自动化水平具有重要意义。由于gps测量有传统测量不可取代的优点，gps测量在工程测量中的地位日益重要，因而gps控制测量数据处理方法研究也越来越受到关注，本文gps测量及数据处理主要探讨gps实时动态技术（rtk）在公路勘测中的应用。数据处理方法有很多种，这里只是简单谈谈自己在实习过程中的应用。关键词：gps 公路勘测 数据处理方法 目录1、概述11.1 gps概述11.2 gps系统组成11.3 gps测量中常用的坐标系统22、gps控制测量外业数据采集52.1 观测工作依据的主要技术指标52.2 天线安置62.3 开机观测62.4 观测记录73、rtk的实际应用举例93.1 工程概况93.2 编制依据93.3 勘察任务及主要内容93.3.1勘查任务93.3.2工程范围图103.3.3丰宁主控点数据103.4 工程的实施123.4.1公路中线放桩123.42公路断面测量123.4.3断面测量数据下载与整理123.4.4 使用rtk的注意事项134、结束语155、致谢16绪言rtk（real - time kinematic）实时动态差分法。这是一种新的常用的gps测量方法，实时动态(rtk) 测量系统，是gps 测量技术与数据传输技术的结合，是gps 测量技术中的一个新突破。rtk测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分gps 测量技术，其基本思想是： 在基准站上设置1 台gps 接收机，对所有可见gps 卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。在用户站上，gps 接收机在接收gps卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位原理，实时地解算整周模糊度未知数并计算显示用户站的三维坐标及其精度。通过实时计算的定位结果，便可监测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况，实时地判定解算结果是否成功，从而减少冗余观测量，缩短观测时间。以前的静态、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。是将来野外测量技术的主要发展方向。本论文将着重探讨rtk在公路勘测中的应用，并以河北丰宁抽水蓄能电站上坝公路中线放桩及断面测量为例，具体分析rtk在工程中的应用，并分析结果。21、概述1.1 gps概述 1973年美国开始建立新一代卫星导航系统导航卫星定时测距全球定位系统(navigation timing and ranging global positioning system，简称(gps)，于1994年该系统全部建成并投入运行。gps是一种能够定时和测距的空间交会定位的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。经过几十年的发展和完善，gps在科学技术研究和经济建设等许多领域己获得广泛应用，并对测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。目前，这一定位技术己普遍应用在大地测量、工程测量、工程和地壳变形测量、地籍测量、航空摄影和海洋测绘、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、地球动力学等诸多测量领域。gps系统的建立为测绘工作提供了一个崭新的定位测量手段。由于gps定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优点，因而在城市与工程控制网的建立、更新与改造中得到了日益广泛的应用。应用gps建立控制网，通常是采用载波相位的相对定位方法得到gps基线向量，gps控制网就是由gps基线向量构成的测量控制网。与常规地面控制网相比，gps控制网的数据处理有其自身的特点，其数据处理主要包括基线解算、网平差两部分，对于gps工程控制网，还应考虑将坐标成果转换到工程实用的坐标系中。1.2 gps系统组成gps计划始于1973年 ，已于1994年进入完全运行状态(foc)。gps的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成：图1gps组成部分空间部分 gps的空间部分是由24颗gps工作卫星所组成，这些gps工作卫星共同组成了gps卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗gps工作卫星都发出用于导航定位的信号。gps用户正是利用这些信号来进行工作的。 控制部分 gps的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（colorado）的法尔孔（falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对gps的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（hawaii）、阿松森群岛（ascencion）迭哥伽西亚（diego garcia）卡瓦加兰（kwajalein），监控站作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（ascencion）、迭哥伽西亚（diego garcia）、卡瓦加兰（kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 gps的用户部分由gps接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收gps卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的gps系统。1.3 gps测量中常用的坐标系统 （1）wgs-84wgs-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world geodical system-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。 wgs-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时gps所采用的坐标系统wgs-72坐标系统而成为gps的所使用的坐标系统。 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bih1984.0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： a = 6378137m f = 1/298.257223563（2）1954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：a = 6378245m f = 1/298.3（3）1980年西安大地坐标系1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差是在新大地坐标系统中进行，这个坐标系统就是1980年西安大地坐标系统。1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数采用了iag 1975年的推荐值，它们是：a = 6378140m f = 298.257表1椭球参数表wgs-84北京54西安80长半轴6378137.0637824506378140o扁率1.0/298.25722356310298310298257第一偏心率0.006694379990141320.00669342162296590.006694384999588 椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 jyd地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。（4）站心地平直角坐标系以测站pi在参考椭球体的法线方向为z轴，以测站大地子午线北端与大地地平面交线为x轴，大地平行圈东端与大地地平面交线为y轴，构成站心空间直角坐标系。由于这种坐标系与测区很好的结合，所以经常被采用。2、gps控制测量外业数据采集2.1 观测工作依据的主要技术指标gps观测与常规测量在技术要求上有很大差别，各级gps测量基本技术规定按表2执行，对城市及工程gps控制在作业中应按表3有关技术指标执行。表2城市及工程gps作业的基本技术要求项目方法等级二三四一级二级卫星截止高度角/()相对快速1515151515有效观测卫星总数/颗相对快速445454545观测时段数/个相对22221重复设站数/个快速2222时段长度/min相对快速906020451545154515采样间隔/s相对快速10601060106010601060pdop相对快速66888表3 gps测量基本技术规定级别项目bcde卫星截止高度角/()10151515同时观测有效卫星数/颗4444有效观测卫星总数/颗20644观测时段数/个321.61.5时段长度/mi样间隔/s3010-305-155-15注：计算有效观测卫星总数时，将各时段有效观测卫星数扣除其间重复卫星数观测时段长度，应为开始记录数据到结束记录的时间段。观测时段数1.6，指采用网观测模式时，每站至少观测一时段，其中二次设站点数应不少于gps网点总数的60%。采用基于卫星定位连续运行基准站点观测模式时，可连续观测，但观测时间应不低于表中规定的各时间段观测时间的和。2.2 天线安置（1）在正常点位，天线基座安置在三脚架上，整平、对中后，天线架设在天线基座上。（2）刮风天气安置天线时，应将天线进行三方向固定，以防倒地碰坏。雷雨天气安置天线时，注意将其底座接地，以防雷击天线。（3）架设天线不宜过低，一般应距地面1m以上。天线架设好后，在圆盘天线间隔120的3个方向分别量取天线高，3次测量结果之差不应超过3mm，取其3次的平均值记入测量手簿，天线高取值至毫米。（4）在高精度gps测量中，要求测定气象元素。每时段气象观测应不少于3次（时段开始、中间、结束）。气压读至0.1mbar，气温读至0.1，对一般城市及工程测量只记录天气状况。（5）复查点名并记入测量手簿将天线电缆与仪器连接正确后，才能通电开机。2.3 开机观测观测作业的目的是捕获gps卫星信号，并对其进行跟踪、处理和量测，以获得所需要的定位信息和观测数据。接收机开机后，锁定卫星并开始记录数据，观测员按照仪器随机提供的操作手册进行输入和查询操作，一般在正常接收过程中禁止更改任何设置参数。通常来说，在外业操作过程中，仪器操作人员应注意以下事项：（1）开机后，接收机有关指标显示正常并通过自检后，方能输入有关测站和时段控制信息。（2）接收机在开始记录数据后，注意查看有关观测卫星数量、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质记录等情况。（3）一个时段观测过程中不允许进行以下操作，即关闭又重新启动；进行自测试（发现故障除外）；改变卫星高度角；改变天线位置；改变数据采样间隔；按动关闭文件及删除文件等功能键（4）每一观测时段中，气象元素一般应在始、中、末各观测记录一次，当时段较长时可适当增加观测次数。在观测过程中要特别注意供电情况，除在出测前认真检查电池容量是否充足外，作业中观测人员不要远离接收机，听到仪器的低电压报警要及时予以处理，否则可能会造成仪器内部数据的丢失或破坏。对观测时段较长的观测工作，建议尽量采用太阳能电池板或汽车电瓶进行供电。（6）仪器高要按规定始、中、末各量测一次，并及时输入仪器及记入测量手簿。（7）接收机在观测过程中不要靠近接收机使用对讲机；雷雨季节架设天线要防止雷击，雷雨过境时应关机停测，并卸下天线。（8）观测站的全部预定作业项目，经检查均已按规定完成，且记录与资料完整后方可迁站。（9）观测过程中要随时查看仪器内存或硬盘容量，每日观测结束后，应及时将数据转存到计算机硬盘、软盘上，确保观测数据不丢失。2.4 观测记录 在外业观测工作中，所有信息资料均须妥善记录。记录形式主要有以下两种：（1）观测记录。观测记录由gps接收机自动进行，均记录在存储介质（如硬盘、硬卡或记忆卡等）上,主要内容有载波相位观测值及相应的观测历元、同一历元的测码伪距观测值、gps卫星星历及卫星中差参数、实时绝对定位结果、测站控制信息及接收机工作状态信息。（2）测量手簿。测量手簿是在接收机启动前及观测过过程中，由观测者随时填写的。其记录格式在现行规范和规程中略有差别，视具体工作内容选择进行。 观测记录和测量手簿都是gps精密定位的依据，必须认真、及时填写，坚决杜绝事后补记或追记。接收机内存数据文件在转录到外存介质上时，不得进行剔除和修改，不得调用任何对数据实施重新加工组合的操作命令。3、rtk的实际应用举例3.1 工程概况丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁县牛圈子村上游的滦河干流上，距丰宁县城约65km，距北京约245km（公路里程），从工程区到上黄旗镇有简易公路，黄旗镇有111国道通过，交通较为便利。据施工总布置，1号公路为上水库的对外交通公路，全长13.2km，设置有东沟桥；2号公路为地下厂房系统的对外交通公路，全长5.7km，设置有隧道2座及灰窑子沟大桥；3号公路全长4.6km，有隧道2座；4号公路全长2.2km。3.2 编制依据（1）水电水利工程施工地质规程（dl/t5109-1999）；（2）公路勘测规范(jtg c102007)；（3）公路工程地质勘察规范(jtj 06498)；（4）公路工程水文勘测设计规范(jtg c302003)；（5）公路土工试验规程(jtg e402007)；（6）公路勘测细则(jtg/t c102007)；（7）岩土工程勘察规范(gb500212001)；3.3 勘察任务及主要内容3.3.1 勘查任务（1）查明1、2、3、4号公路及桥梁沿线地形地貌、地质构造、岩性特征、岩体风化及地下水情况等，查明沿线有无不良地质及影响公路的边坡稳定问题。（2）全面收集、利用可行性研究阶段枢纽区的地质图件与勘探资料。（3）对1、2、3、4号公路宽400m范围进行1:2000工程地质测绘；对2号、3号路隧洞进出口和桥梁部位进行1:500地形测量，并进行同比例尺的工程地质测绘，辅以探槽等手段，查明其工程地质特征。3.3.2 工程范围图3.3.3 丰宁主控点数据河北丰宁抽水蓄能电站gps点投影后成果点名x(m)y(m)h(m)外场坡山4617740.074 464449.121 1637.388 f51 4616803.034 462455.613 1208.909 gf014613682.322 462865.170 1107.229 gf02 4614087.944 463141.954 1119.791 gf034614443.288 463809.340 1220.558 gf044615030.492 463760.678 1211.186 gf05 4614969.988 464516.006 1285.223 gf06 4615667.211 464810.711 1312.325 gf07 4615390.236 465223.792 1296.194 gf08 4616152.421 465502.230 1470.959 gf09 4616137.268 466461.794 1498.680 gf10 4616924.143 466349.403 1556.617 gf11 4617364.342 466685.150 1550.225 gf12 4618177.439 466717.296 1589.682 gf13 4618956.836 466558.903 1706.509 gf14 4619852.909 465907.121 1691.131 gf15 4619536.031 465051.598 1657.667 gf16 4619019.603 464798.317 1557.204 gf17 4619266.467 463632.964 1442.532 gf18 4619071.947 462752.180 1284.819 gf19 4618618.612 462372.390 1225.487 gf20 4617900.350 461952.143 1232.753 gf21 4617576.298 461237.809 1121.235 gf22 4616952.043 461153.641 1141.377 gf23 4617559.701 465342.455 1503.953 gf24 4617816.955 466126.354 1625.392 gf25 4618767.101 465837.976 1565.790 gf26 4618740.787 465103.576 1573.088 gf27 4618289.594 465385.931 1515.944 gf28 4617208.474 464105.719 1557.241 gf29 4617438.362 463316.325 1418.096 gf304616153.161 461688.151 1088.390 gf314614365.750 462581.552 1095.952 gf324611357.936 464362.660 1026.919 gf334611126.404 466113.968 1043.155 gf344611865.258 468402.026 1018.898 gf364619641.676 458870.997 1080.042 gf374620279.705 457923.185 1111.558 gf354612309.478 469307.495 1017.118 点名x(m)y(m)h(m)大青山 4619780.040 461424.759 1635.600 二十八丈梁4615402.563 466890.874 1556.800 韭菜沟山 4619744.089 467698.871 1777.200 盘道沟北 4612719.989 465271.313 1420.500 注:相对于北京54坐标系下独立坐标系,1985国家高程基准.投影面高程1300米3.4 工程的实施3.4.1 公路中线放桩在开始rtk测量时，需首先在某一起始点上，静止地观测几分钟，进行初始化工作。有条件的话，应尽量复测已测过的几个点，以便检查初始化、基准站和流动站接受机的参数设置的正确性。因为当把接受机的数据传输到计算机中并进行数据处理时，接受机中的参数很容易人为地改变，而野外测量时又很难知道实时测量结果是否正确。野外工作时，由一台接收机和一台电台组成基准站，架设在一个已知坐标的参考点上，另外的接收机和电台组成流动站，对地面上各特征点和地形变化点进行测量，建立与基准站之间的矢量关系，具体分工为：一人看守主站，一人进行中桩放样和中桩纵断面数据采集，其余的人进行横断面的数据采集。 经过初始化等准备工作。即可利用手薄中的放样测量和数模功能，进行放样和数据的采集工作，定位精度为3厘米；纵、横断面的定位精度为5厘米；电台工作半径为10km（实际中最大使用过3.1km）所收集到的全部数据将自动存贮在手薄中，完成了外业数据采集。3.42 公路断面测量首先将设计的公路中线桩坐标数据输入到手簿中，然后在放样菜单中选择曲线放样，并选择刚输入的中线桩坐标数据，这时手簿屏幕上将会显示公路曲线图。再以中线桩为起点，以垂直于公路曲线切线的方向为前进方向，每间隔8m左右测一个断面点，左右各测50m，这样就测得了一条断面数据。3.4.3 断面测量数据下载与整理a.在excel中，单击“文件打开（文件内型为所有文件）下一步，选择关闭（tab键）下一步完成”即可。b.将数据的（除点号、坐标外）所有不用的数据删除，且将坐标转换成（x,y,h,）。c.上述“文件”另存为桌面（csv文件）d.右击“上述文件”点击“属性”更改“csv文件”为“dat文件”确定单击“是”。e.打开“dat”文件单击“打开方式”从列表中选择“程序”确定选择“记事本”单击“确定”保存“记事本”文件。所测断面数据，例如k1+420的断面整理后的数据就如下表所示：k1+420l1z46121804635311006.441k1+420l24612181463535.31006.603k1+420l34612182463540.21006.956k1+420l44612184463545.81007.085k1+420l54612185463550.61006.74k1+420l646121864635551006.965k1+420l74612188463562.41006.97k1+420l84612190463567.91007.042k1+420l94612191463572.81007.103k1+420k1+4204612193463579.91006.992k1+420r14612195463587.61006.938k1+420r24612196463590.91007.504k1+420r34612197463596.21007.156k1+420r44612198463601.41007.271k1+420r546122004636061007.8k1+420r64612200463607.81008.654k1+420r