gps rtk地形测量.doc

摘 要:本文主要阐述GPS-RTK技术在水下地形测量中的实际运用。随着GPS技术的飞速发展,水下地形测量技术已定型于采用GPS获得平面坐标,测深仪获得深度数据的基本模式。对GPS-RTK的原理、作业方法及与测深仪操作流程中遇到的问题和解决方法进行了详细介绍。 关键词:GPS-RTK;点校正;RMS;后处理;延迟校正;回放 收稿日期:2009-01-14 作者简介:黄军明 (1964),男,湖北孝感人,工程师,主要从事水利水电工程测量的研究和实践。 中图分类号:P228.1 文献标识码:A 文章编号:1005-569X(2009)02-0053-05 1 GPS RTK的工作原理 1.1 RTK技术简介 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-time kinematic)方法,是GPS应用的重大里程碑,它的出现为工程放样、大比例尺地形测图,各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了在外作业的工作效率。 在RTK作业模式下,基准站(也称参考站,其坐标精确已知)实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等通过无线电传送给运动中的流动站。流动站不仅通过无线电接收机接收基准站发射的信息,同时,也要采集GPS卫星观测数据,并在系统内将载波相位观测值实时进行差分处理,得到基准站和流动站基线向量(X、Y、Z),基线向量加上基准站坐标得到流动站每个点WGS-84坐标,通过坐标转换得出流动站每个点的三维坐标X、Y、Z。 1.2 GPS-RTK测量基本原理 GPS-RTK测量过程一般包括:基准站选择和设置、流动站设置、中断站的设立(必要时)。在基准站设置完成,可启动GPS-RTK,开始测量并通过电台发送数据;接着进行流动站设置;完成以后, 便可以启动GPS-RTK流动站,开始按RTK流动站工作方式进行实时载波相位差分定位。具体计算定位原理如下: 1.2.1 观测量 基准站和流动站之间的差分载波相位等随机观测量(一般采用双差分处理载波相位观测量)。 1.2.2 未知参数 随机的动态点坐标、非随机的载波相位整周未知数。关键是求解初始相位的整周模糊度。 1.2.3 平差原理 使用最小二乘的平差计算方法: 将双差分观测方程按泰勒级数分元展开: V=A1X1+A2X2-f 其中X1=(dx、dy、dz)为基线矢量,X2=(NiJ)为载波相位的整周模糊度。 按最小二乘原理VTPV=min,可用消元法先消去X1,求出X2模糊度。 若不将模糊度整数化,代入法方程求出X1,此解称为浮点解,其精度为分米级。若将模糊度整数化,代入法方程求出X1,此解称为固定解,精度为厘米级。 设(X0、Y0、Z0)为基准站坐标,则流动站坐标为: XiYiZiWGS-84=X0Y0Z0WGS-84+dxdydz 1.2.4 坐标转换 通过坐标转换参数转换为用户坐标系统下的坐标。 1.2.5 精度评定 由于GPS-RTK定位的数据处理过程属于计算基准站和流动站之间基线向量(坐标差)的过程,不存在网平差处理。所以精度评定跟静态测量基线处理的精度评定相似,故一般采用以下指标: (1)载波相位的整周模糊度是否固定。GPS-RTK测量规范规定流动站与基准站的距离不能超过15km,是因为在15km之内RTK数据处理的载波相位的整周模糊度能得到固定解,这样定位精度才能达到厘米级。 (2)均方根RMS(Root Mean Square)。RMS在这里表示RTK定位点的观测值精度,它是包括大约70%的定位数据的误差圆的半径。RTK测量中用距离单位(m)表示RMS。 实质RMS表明了观测值的质量,观测值质量越好,RMS越小;反之,观测值质量越差,则RMS越大,它不受观测条件(观测期间卫星分布图形)好坏的影响。 只有点位观测值精度达到需求时,载波相位的整周模糊度才能够得到固定解,坐标精度才能满足精度要求。一般使用平面和高程两种均方根:平面均方根HRMS表示平面坐标定位精度。 高程均方根VRMS表示高程坐标定位精度。 1.3 RTK主要设置 1.3.1 基准站电站选择与设置 (1)由于电台信号传播属于直线传播,所以为使基准站和流动站数据传输距离更远,基准站应该选择在地势比较高的测点上,数据传输距离和测站高度关系式为: 传输距离(km)=4.24(h基(m)+h流(m) 其中:h基、h流分别是基准站和流动站的GPS天线高度比工作地区地面高出的部分,单位是m,传输距离单位为km。 (2)基准站电站的功率越大越好,常用的功率为10W、25W、35W。 (3)电台频率应该选择本地区无线电使用较少的频率,并且要求使用频率和本地区常用频率差值较大。故而要对本工作地区进行无线电使用频率调查。 (4)根据对本工作地区无线电频率的了解,选择理想的无线电工作频率,流动站与基准站必须使用同一个。基准站电台频率可通过显示面板和计算机进行设置。 1.3.2 基准站的系统设置 基准站的设置包括:建立项目和坐标系统管理、基准站电台频率的选择、GPS-RTK工作方式的选择、基准站坐标输入、基准站工作启动等,这些设置都是通过电子手薄来完成。 1.3.3 流动站GPS的设置 建立项目和坐标系统管理、完成流动站电台频率的选择和GPS-RTK工作方式的选择,流动站RTK工作启动。特别注意的是:流动站和基准站必须使用同一个频率,否则无法接收来自基准站电台发射的差分定位信号。 以上设置完毕后就可以开始测量。 1.4 点校正 在一个新测区,一般是无法了解当地的WGS-84坐标转换为用户使用地方坐标之间的转换参数,为了保证测图精度,故在开始测图前都要作点校正。 1.4.1 前提及过程 (1)至少应当有4个控制点的三维已知地方坐标(平面坐标X、Y和高程H)。 (2)手薄中建立的坐标系统为WGS-84坐标系统,无投影、无转换。表示直接求取WGS-84坐标系统到地方坐标系统的所有参数,一般求三参数即可。 (3)根据校正内容可以选择格网坐标中平面坐标或高程坐标或全部。 (4)选择的已知控制点将测区包围起来。 表1是在实际工作中点校正前后所测控制点数据及误差: 表1 点校正前后残差 点号点校正前点校正后 水平残差垂直残差水平残差垂直残差 大院子0.2150.2200.0150.018 上孝0.1920.2040.0140.022 新滩南0.2180.2320.0160.019 SK040.2120.2260.0110.012 从表中可以