《GPS实时动态定位》PPT课件.ppt

GPS测量定位技术,第八章 GPS实时动态定位,学习目标 第一节 RTK概述 第二节 RTK系统基准站的组成和作用 第三节 RTK流动站的组成和作用 第四节 RTK定位测量的外业准备工作 第五节 RTK的作业方法 第六节 GPS网络RTK技术 本章小结 思考题与习题,GPS测量定位技术,第八章 GPS实时动态定位,学习目标,了解RTK的作业速度和作业效率，观测数据的实时处理过程。GPS网络RTK技术的出现，弥补了GPS实时差分定位RTK技术的缺点，它代表了未来GPS发展的方向。目前应用于GPS网络RTK数据处理的虚拟参考站法（Virtual Reference StationVRS）、技术最为成熟。 理解RTK的工作原理，RTK的初始化过程；实时动态定位的基本思想，相对于静态定位增加的仪器设备及应用。 掌握RTK系统基准站和流动站的组成和RTK定位测量的实施。,GPS测量定位技术,第一节 RTK概述,RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站以精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。,一、RTK的工作原理,GPS测量定位技术,一、RTK的工作原理,精密GPS定位都采用相对技术。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及时地传输给流动站(DGPS)都称为相对技术。以采用值的类型为依据可分为4类：,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其定位精度迅速降低。故RTK采用第三种方法。,GPS测量定位技术,一、RTK的工作原理,RTK的观测模型为：,（8-2）,其中： 为相位测量值，单位为m； 为星站间的几何距离； 为光速； 接收机钟差； 卫星钟差 为载波相位波长； 为整周未知数； 为对流层折射影响； 为电离层折射影响； 为相对论效应； 为观测噪声。参数,GPS测量定位技术,因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射影响难于精确模型化，所以实际的数据处理中常用双差观测值方程来解算，在定位前需先确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（On The Fly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L1和L2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，快速定出精确的初始位置。,一、RTK的工作原理,GPS测量定位技术,二、RTK的系统组成,下面以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例，说明RTK的系统组成，天宝RTK系统由下列两部分组成：,GPS测量定位技术,第二节 RTK系统基准站的组成和作用,如下图所示，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。其作用是求出GPS实时相位差分改正值。然后将改正值及时地通过数传电台传递给流动站以精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。,图8-1 Trimble4800GPSRTK基准站配置图,GPS测量定位技术,第二节 RTK系统基准站的组成和作用,GPSRTK作业能否顺利进行，关键的问题是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它和无线电数据链电台本身的性能，发射天线的类型，参考站的选址，设备的架设，环境无线电的干扰情况等有直接的关系。 由于数据链电台采用400480MHZ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无遮挡信号的障碍物，这些障碍物在陆地上主要由地形、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相互干扰，在作业时，大于25W的数据链电台发射天线距离GPS接收天线至少2m，最好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。,GPS测量定位技术,第二节 RTK系统基准站的组成和作用,RTK数据链无线电发射机（TRIMMRK）的工作频率为UHF频段（400480MHZ），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： 式中：4.24为天宝经验值； H1 电台的天线高； H2 流动站的天线高；,（8-1）,GPS测量定位技术,第二节 RTK系统基准站的组成和作用,例：天宝4800GPS接收机使用的TRIMMRK无线电数据链电台发射功率为25W，电台天线高为9m，流动站的天线高为2m，试计算流动站工作的最远距离？ 解：已知H1 = 9 m，H2 = 2m，根据公式可计算出流动站在开阔地带工作的最远距离为： 注：该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值，实际上要根据实地情况来确定，要留有余量，根据经验，在城市要将电台天线架设在高楼顶上，才可能达到10公里左右的距离。 由于无线电数据链电台发射功率为25W，耗电量大，故直流电源的电流选择应大一些，一般选择12V60A或12V120A为宜，这样，可保证一定的工作时间。,GPS测量定位技术,第三节 RTK流动站的组成和作用,如下图所示，从基准站接收到的信号由流动站的UHF电台接收，流动站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。,图8-2 数据链传输的波特率关系,GPS测量定位技术,第三节 RTK流动站的组成和作用,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。,图8-3 天宝4800流动站配置,GPS测量定位技术,第三节 RTK流动站的组成和作用,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，均匀地分布在整个测区。 1.基准站可以安置在已知点上，也可以不安置在已知点上。若安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其它坐标系）。 2.基准站若安置在未知点上（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），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或其它坐标系）。求得WGS84坐标的方法是：开机后，在TSC1控制器上经过初始化操作后，显示一软键 here （译成汉语为“这里”），直接按该键即可求得该点的WGS84坐标。,GPS测量定位技术,第三节 RTK流动站的组成和作用,3.虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测区内还必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关，在安置好基准站并启动流动站后，必须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，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须将该点的原有坐标输入到TSC1控制器中进行改正。,测区内仅有一个已知控制点的情况。定位测量时，仅已知点上的精度最高,以本点为圆心，离此点越远，精度越低，理论上讲，在半径为10km的范围内，可达到25cm左右精度。其坐标转换的方法是WGS84和BJ54的坐标相减而得X、Y、Z。,GPS测量定位技术,第三节 RTK流动站的组成和作用,测区附近有二个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）。定位测量时，仅两已知控制点和两点的连线上的精度最高，远离此直线则精度越低。,测区附近有三个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）。如下图所示，定位测量时，仅三已知控制点和三角形内部的精度最高，远离此三角形则精度越低。,图8-4 三个已知点的工作范围,GPS测量定位技术,第三节 RTK流动站的组成和作用,当然还有多于四个已知控制点的情况,可根据以上内容进行分析。,测区附近有四个已知点的情况（必须为整体平差结果）。如右图所示，定位测量时，若四个已知点均匀分布在测区四周，仅四个已知控制点和四边形内部的精度最高,远离四边形则精度越低。,图8-5 四个已知点的工作范围,GPS测量定位技术,第四节 RTK定位测量的外业准备工作,RTK定位测量外业准备的过程如下： 1.外业踏勘； 2.收集资料； 3.制定观测计划； 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，12V60A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。,GPS测量定位技术,第五节 RTK的作业方法,一、架设基准站,将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，电台和天线架设好，连上电缆后开机，先启动基准站，在TSC1控制器中进行： 按on/off键，打开TSC1控制器，则自动调用主菜单，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，如当地的地名或工程名； 2.选择工程管理（Job management）并确认；若测量手簿中已有的工程则显示其名称，若测量手簿中没有工程名，就选中New（F1）输入工程名后确认； 3.在选择坐标系统窗口中选用手工键入参数（Key in parameter）； 4.在键入参数窗口中选设置投影参数（Projection）；,GPS测量定位技术,一、架设基准站,5.在输入椭球参数窗口中选： 投影方式: Transverce Mercator(横轴墨卡托投影) False northing（北偏）: 0.000m (北偏为0) False easting（东偏）: 500000.000m (东偏500km) origin lat(纬度): 00000.0000N central meridian: 1140000.0000E(当地中央子午线经度) scale（尺度比）：1.000000 semimajor axis: 6378245.000m(BJ54椭球长半轴) Flattening（扁率分母）：298.300000 若在某一测区，椭球参数只需输入一次即可，如再进入其它测区，则需重新输入其它测区的椭球参数（主要是当地中央子午线的经度）。,GPS测量定位技术,一、架设基准站,6.在键入参数窗口中再选输入转换参数，有三种情况： No transformation（没有转换参数）：若基准站没有WGS84或BJ54坐标，则选此项。 Three parameter（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。 Seven parameter（七参数）：一般不考虑。 到此，建立一个新工程项目的工作就完成了，需要说明的是，建立新工程项目也可单独在内业进行。,GPS测量定位技术,二、启动基准站,在TSC1控制器中点击Survey（测量）图标，进入测量方式菜单。 在（Survey Styles）测量工作方式菜单中选Trimble RTK（实时动态）。 在（Survey）测量菜单中选Start base receiver（启动基准站）。 显示连接接收机后，输入基准站的点名，输入天线高，若控制器中有该点的点名（也即隐含有该点的坐标）可直接按软键 Start （F1键）后，显示： Disconnect controller from receiver（控制器可以离开接收机） 若控制器中不存在该点或该点是未知点，则按 here （F3键）求得该点的WGS84坐标（伪距），显示后，一直按回车键，直到高程变化趋于稳定为止。再按软键 Start （F1键）。 当显示控制器可以离开接收机时，即启动了基准站，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，控制器的显示器上并不显示电台的标志，只有启动流动站后，电台的标志才在控制器上显出。,GPS测量定位技术,三、启动流动站,将TSC1控制器上的电缆插头插入流动站GPS接收机的插口，在（Survey）测量菜单中选Start Survey（开始测量）也称启动流动站。此时在TSC1控制器的窗口下部即显示如下画面：,图8-6 TSC1控制器显示的有关图形,GPS测量定位技术,三、启动流动站,电池中的黑色部分是告之电量的多少；4800是告之与TSC1控制器所连接的GPS接收机的型号；卫星图标中的5是搜索到的卫星颗数，RTK测量时不能少于5颗；电台图标中若两个小灯交替闪亮，则证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，越小越好；当RTK=FIXED（固定解）时，初始化完毕，可以开始测量（当RTK=float（浮点解）初始化不成功，不能测量，必须再等待，直到RTK=FIXED时为止）。,GPS测量定位技术,四、开始测量,可以分为几种形式： 测量点（Measure points）。 连续的碎部点的采集（Continuous topo）。 输入方位、距离、计算不可到达的点位（Offsets）。 放样（Stakeout）。 测量结束后，在（Survey）测量菜单中选End Survey（结束测量）。 收工。,GPS测量定位技术,第六节 GPS网络RTK技术,一、概述,GPS实时差分定位RTK技术是目前广泛使用的测量技术之一，但它的应用受到电离层延迟和对流层延迟的影响，使原始数据产生了系统误差并导致以下缺点： （1）用户需要架设本地参考站； （2）误差随距离的增加而增长； （3）误差增长使流动站和参考站的距离受到限制，一般小于15公里； （4）精度为1cm+1ppm，可靠性随距离增大而降低。 GPS网络RTK技术的出现，弥补了GPS实时差分定位RTK技术的缺点，它代表了未来GPS发展的方向，由此可带来巨大的社会效益和经济效益。目前应用于GPS网络RTK数据处理的方法有：虚拟参考站法（Virtual Reference StationVRS）、偏导数法、线性内插法和条件平差法，其中虚拟参考站法VRS技术最为成熟。,GPS测量定位技术,一、概述,虚拟参考站法VRS的实施将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体，改变了以往GPS作业单打独斗的局面，同时它使GPS技术的应用更为广泛，精度和可靠性得到进一步的提高，使许多从前难以完成的任务成为可能，最重要的是建立GPS网络的成本反而降低了很多。由于VRS技术的种种先进性，一经问世就受到世界各国的广泛关注，并得到积极的实施，德国、瑞士等一些国家的VRS网络已经建成或正在建成。我国的深圳市第一个建成了VRS技术卫星定位服务系统，为深圳市的经济发展、城市信息化和数字化发挥了重要的作用。,GPS测量定位技术,二、VRS的系统构成及工作原理,VRS系统集GPS、Internet、无线通讯和计算机网络管理技术于一身。整个系统是由若干个（三个以上）连续运行的GPS基准站和一个GPS网络控制中心构成。 1. VRS的系统构成 VRS的系统构成由GPS固定基准站系统、数据传输系统、GPS网络控制中心系统、数据发播系统和用户系统等五部分组成。 2. VRS的工作原理 一个VRS网络由三个以上的固定基准站组成，站与站之间的距离可达70km，固定基准站负责实时采集GPS卫星观测数据并传送给GPS网络控制中心，由于这些固定基准站有长时间的观测数据，故点位坐标精度很高。（传统高精度GPS网络，站间距离不超过10-20公里）。固定基准站与控制中心之间可通过光缆、ISDN或普通电话线相连，将数据实时的传送到控制中心。,GPS测量定位技术,二、VRS的系统构成及工作原理,图8-7 VRS网络数据流程,GPS测量定位技术,二、VRS的系统构成及工作原理,控制中心是整个系统的核心。它既是通讯控制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线（光缆，ISDN，电话线）与所有的固定参考站通讯，接收固定参考站发来的所有数据，也接收从流动站发来的概略坐标，然后根据用户位置，自动选择最佳的一组固定站数据，整体改正GPS轨道误差、电离层、对流层和大气折射引起的误差，将经过改正后的高精度的RTCM差分信号通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS等）发送给用户，与移动用户通讯。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。,GPS测量定位技术,二、VRS的系统构成及工作原理,图8-8 VRS参考站网络的硬件构成,GPS测量定位技术,二、VRS的系统构成及工作原理,用户部分就是用户的GPS接收机，加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求，放置在不同的载体上。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息。 所以控制中心的软件GPSNET即是数据处理软件，也是系统管理软件。由计算机实时系统控制整个系统的正常运行，它执行下列任务： 导入并检查原始数据的质量； 存储并压缩RINEX数据； 改正天线的相位中心； 区域系统误差模型化及估算； 为流动站接收机创建虚拟参考站位置； 产生流动站所在位置上的RTK改正数据流； RTK数据以RTCM或Trimble CMR格式传播。,GPS测量定位技术,二、VRS的系统构成及工作原理,GPS流动站先向控制中心发送标准的NMEA位置信息，告之其概略位置，控制中心收到信息后重新计算所有GPS数据，内插到与流动站相匹配的位置，再向流动站发送改正过的RTCM信息，流动站可位于VRS网络中的任何位置，这样RTK的系统误差就被消减。可以看出，VRS系统实际上是一种多基站技术。它在处理上利用了多个参考站的联合数据。,三、VRS系统的优势,与传统的RTK相比，VRS系统的优势有以下几点：,GPS测量定位技术,三、VRS系统的优势,1.VRS系统的覆盖范围大 VRS网络可以有多个站，但最少需要3个。若按边长70km计算，一个三角形可覆盖面积为2200km2。 实际上，VRS系统可提供两种不同精度的差分信号，分别为厘米级和亚米级。我们所论述的是1-2个厘米的高精度，而若是用低精度，则站与站之间的距离可以拓展到几百公里。 2.相对传统RTK，提高了精度 传统的RTK随着测量距离的增加，误差会随之增大，而在VRS系统的网络控制范围内，精度始终可以保持在12个厘米。,GPS测量定位技术,三、VRS系统的优势,3.可靠性也随之提高 采用了多个参考站的联合数据，大大提高可靠性。 4.更广的应用范围 可适用于城市规划，市政建设，交通管理，机械控制，气象，环保，农业以及所有在室外进行的勘测工作。 VRS技术的出现，标志着高精度GPS的发展进入了一个新的阶段。这种网络RTK技术，集最新兴的计算机网络管理技术、INTERNET