数字测图与制图课件第六章

1、第六章 GPS RTK野外数据采集l学习目标l 熟悉GPS RTK定位的基本原理及系统组成；掌握RTK地形测量操作的关键步骤；熟悉基准站观测点位的选择方法；熟悉流动站地形点的测量方法。6.1 概述l 一、GPS RTK定位概念l 基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站，在流动站通过无线电接收基准站所发射的信息，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 ；基线向量加上基准站坐标得到流动站每个点WGS-84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的平面坐标 和海拔高 ，这个过程称做GPS RTK定位过程，如图6-1所示。(,)

2、XYZ, x yh图6-1 GPS RTK定位原理l GPS RTK定位具有以下优点：l (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4 km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。l (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，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。l (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

3、传统测量相比，RTK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。l (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。l (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，

4、能方便快捷地与计算机、其他测量仪器通信。l 二、GPS RTK定位系统的组成l 1. 系统组成l (1) GPS接收机：能够测量到载波相位的GPS接收机都能够进行RTK定位，但是为了能够快速、准确地求解整周模糊度，双频接收机比较理想。l (2) 无线电数据链l GPS RTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。一般数据链电台采用400MHz480MHz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没有遮挡信号的障碍物

5、。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。l l 为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链电台的发射天线，应距离GPS接收天线至少2m，最好在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。与此同时，电台所使用的频率和电台功率必须经过国家和当地无线电管理部门批准，使用时可能会受到某些限制。l 无线电数据链主要由以下三部分组成：l 基准站发射电台：一般为外置的独立电台。l 流动站接收电台：可以内置在GPS接收机内部，也有外置的独立电台。l 中继站电台：可以转发接收站信号，既接收基准站发送的信号又将接收信

6、号发送出去，一般是外置的独立电台。l (3) 电子手簿：为了便于建立测量项目、建立坐标系统，设置测量形式和参数、设置电台参数，实时阅读、存储测量坐标和精度，设计放样坐标或参数、指导放样等，一般都配有手持式的电子手簿。l 2. GPS RTK定位系统结构l GPS RTK定位系统由一套基准站、至少一套流动站构成，必要时需要中继站电台。l (1) 基准站结构：一套基准站GPS接收机及天线；独立的基准站发射电台及天线；电子手簿（如果接收机无显示面板时）。由于基准站设置次数少，一般与流动站共用电子手簿，使用电子手簿设置完基准站后，转给流动站使用。l (2) 流动站结构：外业测量作业时，可以使用多台流动

7、站同时作业，每一套流动站的结构为：一套流动作业的GPS接收机及天线；流动站接收信号的电台（有的厂家可以将其内置于GPS接收机）及天线；设置和显示使用的电子手簿。l (3) 中继站电台：为了扩展GPS RTK作业范围和距离，必要时可以在基准站和流动站之间设立中继站电台。6.2 GPS RTK 测量基本原理lGPS RTK测量过程一般包括：基准站选择和设置、流动站设置、中继站的设立等。l 一、基准站的观测点位选择和系统设置l 1. 基准站的观测点位选择l GPS RTK定位的数据处理过程是基准站和流动站之间的单基线处理过程，基准站和流动站的观测数据质量好坏、无线电的信号传播质量好坏对定位结果的影响

8、很大。野外工作时，测站位置的选择对观测数据质量、无线电传播影响很大。但是，流动站作业点只能由工作任务决定观测地点，所以，基准站位置的有利选择非常重要。l 为了观测到更好的观测数据，在基准站观测点位的选择时应注意以下几点：l (1) 为保证对卫星的连续跟踪观测和卫星信号的质量，要求基准站上空应尽可能开阔，让基准站尽可能跟踪和观测到所有在视野中的卫星；在基准站GPS天线的高度角以上不能有成片的障碍物。l (2) 为减少各种电磁波对GPS卫星信号的干扰，在基准站周围约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。l (3) 为避免或减少多路径效应的发生，基准站应远离对电

9、磁波信号反射强烈的地形、地物，如高层建筑、成片水域等。l (4) 为了提高GPS RTK作业效率，基准站应选在交通便利、上点方便的地方。l (5) 基准站应选择在易于保存的地方，以便日后的应用。l 与此同时，为了便于数据链电台传输数据，基准站观测点位的选择还应满足下列条件：l (1) 由于电台信号传播属于直线传播，所以为了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。l (2) 基准站电台的功率越大越好：常用功率为25W、35W等。l (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，所以要到工作区域的无线电管理委员会作调查。l

10、 2. 基准站的系统设置l 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、基准站坐标的输入、基准站工作启动等。l (1) 建立项目和坐标系统管理l 建立工作项目的名称、单位的选择等。l 坐标系统管理。具体包括：参考椭球的选择或椭球参数的输入；投影方式和度带选择或建立；大地水准面资料的选择；平面转换参数的输入；高程转换参数的输入等。l l (2) 基准站电台频率的选择l 根据对本地区无线电频率的了解，选择一种理想的频率，流动站和基准站必须使用同一个频率。基准站电台频率可以在计算机上设置和选择，当基准站电台带有显示面板时，可以通过面板设置。l (3)

11、 GPS RTK工作方式的选择l 用电子手簿选择GPS工作方式为GPS RTK作业方式。l (4) 基准站坐标的输入l 设置本站为基准站，一般将基准站置于坐标已知的控制点上，所以可以输入已知点的点名、平面坐标和海拔高（如需要时也可以输入其他坐标系统坐标）及GPS天线高度。l (5) 基准站RTK工作启动l 以上设置完成后，可以启动GPS RTK基准站，开始测量并通过电台发送数据。 l 二、流动站GPS的设置及定位原理l 流动站GPS的设置包括：建立项目和坐标系统管理、流动站电台频率的选择、有关坐标的输入、GPS RTK工作方式的选择、流动站RTK工作启动、使用RTK流动站测量地形点等。l 1.

12、 建立项目和坐标系统管理l (1) 建立工作项目的名称、单位的选择等。l (2) 坐标系统管理：参考基准站坐标系统管理。l (3) 从带有绘图软件的PC计算机中将存有各种图形要素代码的属性库文件传入电子手簿。属性是关于要素代码的一条描述信息，在野外采集的每个要素代码都有各自的属性值。l 2. 流动站电台频率的选择l 根据对本地区无线电频率的了解，选择一种理想的频率，流动站和基准站必须使用同一个频率。流动站电台频率可以在计算机上设置和选择，也可以通过电子手簿设置。l 3. 有关坐标的输入l 在电子手簿中输入其他控制点的坐标，以供求解坐标转换参数或作为地形测量过程中的检查点使用。l 4. GPS

13、RTK工作方式的选择l 用电子手簿选择GPS工作方式为GPS RTK作业方式。l 5. 流动站GPS RTK工作启动及定位原理l 以上设置完成后，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，并通过坐标转换参数转换为用户坐标系统下的坐标。l 以上设置完成后，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，并通过坐标转换参数转换为用户坐标系统下的坐标。l 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，一般使用以下指标：l

14、(1) 载波相位的整周模糊度是否固定l GPS RTK测量规范规定流动站距离基准站的距离不能超过15km。因为在15km之内RTK数据处理的载波相位的整周模糊度能够得到固定解，这样定位精度才能达到厘米级。l (2) 均方根RMS(Root Mean Square)l 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测量中一般用距离单位(m)表示RMS。l 只有点位观测值精度达到要求时，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表示坐标的定位精度。l 6. 使用RTK流动站测量地形点l 地形点的测量一般

15、有以下两种方式：l (1) 连续测量地形点l 一般用于测量等高线点或测量连续曲线点（如湖、水库、围墙等的边线）的坐标，这些测点的图形属性一样。l 测量时设置测点的精度限差要求；设置测点按时间间隔或距离间隔测量的间隔时间或间隔距离，输入起点点号、图形属性后开始测量。等到观测精度满足精度限差时，电子手簿按时间间隔或距离间隔记录坐标数据和测点图形属性。l (2) 非连续地形点测量l 一般用于图形属性不同、精度要求不同、无法连续测量的测点（如电线杆、下水井或上水井等）。l 测量时，一般设置测点的精度限差要求、观测时间、记录测量坐标的次数（用于平均计算最终坐标），然后开始测量，等到测量次数满足时，将坐标

16、的均值、精度及图形属性记录在电子手簿中。l 采用以上两种方式可以完成所有地形点的测量工作。l 三、中继站电台的设立l 由于工作环境的复杂性，基准站和流动站之间往往无法避免障碍物对电台通讯的影响，这时中继站电台可以起到比较好的补救作用：一是因为它可以接收来自基准站的信号，又可以将其发送出去供流动站使用；二是因为中继站电台只转发信号，所以不必安排在已知点上，完全可以按需要随时任意安排位置。l 1中继站电台点位选择l 一般将中继站电台设置在基准站和流动站之间地势较高、可以尽可能覆盖工区的地方。中继站电台所处位置应保证其既能收到基准站发射的信号，同时其发出的信号也能被流动站接收到。l 2中继站电台设置

17、l （1）频率要与基准站、流动站匹配；l （2）功能处设置为：REPEATER（转发器）；l （3）灵敏度：没有电子干扰时设置为High；有电子干扰时设置为中或者低。l 信号传播过程中会因为损耗而使信号强度变弱，所以，在基准站和流动站之间使用的中继站电台个数一般不超过两台。6.3 GPS RTK 测量操作流程l在GPS RTK测量工作中，电台用来传输数据，GPS接收机用来观测和计算数据，它们的功能、工作方式、参数等是通过电子手簿来指挥、设置和记录数据的。所以，GPS RTK测量操作主要集中在电子手簿上。 l 以下以Trimble公司TSC2为例介绍GPS RTK具体工作过程。l RTK地形测量

18、操作过程可大致归纳为以下几个步骤：l (1) 建立新工作项目；l (2) 对工作项目进行配置；l (3) 设置RTK基准站；l (4) 设置RTK流动站；l (5) 地形点测量；l (6) 结束测量；l (7) 在电子手簿中阅读测量数据。l一、建立新工作项目l如图6-2所示，TSC2软件共包含六大菜单：文件、键入、配置、测量、坐标几何计算、仪器。 l l 图6-2 TSC2主屏幕菜单lTrimble新建任务有两种方法：键入参数和无投影/无基准。这里着重介绍常用的键入参数法。l第一步：输入任务名称；l 图6-3 新建任务l第二步：定义坐标系统；l点击坐标系统对应的按钮后，选择键入参数。l对投影进

19、行编辑，点击后选择投影方法，我国采用横轴墨卡托投影 l 图6-5 选择投影方法l 检查无误后点击回车确认。l 第三步：基准转换；l GPS是基于WGS-84椭球的，它被确定了大小和位置，以便更好地表示整个地球，要在当地坐标系统中进行测量，WGS-84的GPS位置须采用基准转换法转换到当地椭球，常用的基准转换有两种：l 三参数：假定当地基准的旋转轴与WGS-84旋转轴平行，转换涉及到在X、Y和Z轴的三个简单平移。l 七参数：七参数转换应用了在X、Y和Z中的平移和旋转以及比例因子。基准转换一般采用三参数即可满足我们的测量要求，如果知道当地从WGS-84坐标到北京54坐标的转换参数，则直接输入；若不

20、知道三个参数缺省为0，水平平差和垂直平差采用无平差。 图6-6 基准转换l第四步：在水平平差里选择无平差；l图6-7 水平平差参数设置l 第五步：在垂直平差里选择无平差；l 图6-8 垂直平差参数设置l 然后点击存储即可。l 第六步：坐标几何设定：改变为网格。l 图6-9 坐标几何设定l 最后点击接受，这样一个完整的任务就建好了l二、对工作项目进行配置l配置选项主要是仪器的参数进行设置以及蓝牙的连接。l1.控制器l控制器选项包含：时间/日期、语言、声音事件及Bluetooth(蓝牙)。其中前三项用户根据需要来选择。使用R8/5800流动站时，通过Bluetooth实现与接收机的连接。l 图6-

21、10 蓝牙连接GPS接收机l第一次与接收机的连接时，应先扫描然后手薄才能找到对应的GPS接收机设备。l2. 要素和属性库 l要素编码是用字母代码描述每个点的方法。这些代码以后由办公室软件处理，从而产生图样。某些要素代码也有属性。属性是描述关于点信息的额外部分。 l3. 测量形式 l 图6-11 测量形式l 其中：RTK 为实时动态测量，使用此形式进行厘米级放样，以及地形测量和控制测量； l RTK和infill 为实时动态及后处理，该形式在做RTK的同时也记录原始数据，支持后处理差分。l三、配置RTK基准站l在做RTK时首先配置基准站，输入天线高、选择天线类型和相应的测量到。 l1. 基准站选

22、项 l根据是R8或者5800选择以下选项，选择天线类型和是否双星，5800不支持L2C和GLONASS。图6-12 基准站选项l 图6-13 选择天线类型l 图6-14 选择是否双星l2. 基准站无线电l 类型选择Trimble HPB450，控制器端口选COM1，接收机端口选端口1，波特率9600，设置完成后，点击存储，退出配置。l 图6-15 基准站电台设置l3. 进入测量，点击RTK选择启动基准站接收机l 图6-16 启动基准站接收机l启动基准站接收机时有两种方式： l(1) 基准站架在已知点上，则可以直接从键入的点中，在列表里调出已知点，点击开始发送差分改正信号。l(a)l(b)l(c

23、)l 图6-17 利用已知点启动基准站l(2) 基准站任意架设。l点击点名称方框右边的斜箭头选择键入，在屏幕下方点击此处则GPS通过自主定位测得该点坐标，然后在点名称一栏给该点取一点名即可。保存此点坐标，点击开始发送差分信号。l (a)l (b)l (c)l 图6-18基准站任意架设l基准站设置完成，查看电台中间的“TX”灯是否在闪，有就说明基准站发送差分信号成功。若没有则需要检查基准站连线和设置是否正确，检查无误后，再次启动基准站。l四、配置RTK流动站l 1. 配置流动站选项l 如图6-19所示，测量类型为“RTK”，播发格式选择“CMR+”或其他，使用测站索引选择“任何”，“提醒测站索引

24、”不需打勾，点击“接受”继续配置流动站选项。l 图6-19(a)配置流动站选项l 如图6-19(b)所示，卫星差分为“关”，“忽略健康”不用打勾，截止高度角可设置为1015，PDOP值默认为6，不推荐修改，点击“接受”继续配置流动站选项。l 图6-19(b)配置流动站选项l 如图6-19(c)所示，“天线类型”选择接收机所使用天线的类型，“测量到”选择正确的量高方式，“天线高”是向导，后面可以更改，但是建议此处填入正确的，否则每测一点都需要改正，“序列号”可以不填写，点击“接受”继续配置流动站选项。l 图6-19(c)配置流动站选项l 如图6-19(d)所示，“跟踪中”选择L2C和Glonas

25、s，如果接收机能够使用可以打开，不能使用的话尽量不要打开，否则会影响接收机的正常使用，点击“接受”完成流动站选项配置。l 图6-19(d)配置流动站选项l 2. 配置流动站无线电l 流动站无线电的频点和无线电传输模式设置一定要与基准站电台一致，否则流动站接收不到无线电信号。通常使用的Trimble 接收机都有内置电台，如图6-20所示，选择Trimble internal(内置无线电)，点击“连接”，进入到如图6-21所示的流动站电台配置对话框，“频率”选择对应基准站的频率值，“基准站无线电模式”选择和基准站对应，通常默认值为TT450s at 9600bps，点击接受，存储后退出配置。l 图

26、6-20流动站无线电设置l 图6-21选择频率和传输模式l 五、点测量l 进入测量，选择RTK点击开始测量。l 现在就可以点击测量点，开始进行测量工作了。l (a) (b)l 图6-22点测量l六、点校正lGPS RTK测量工作中，可以在内业或外业进行点校正工作。点校正的目的是求解WGS-84坐标转换为用户使用坐标的转换参数。 l1.外业校正 l流动站获得初始化后，找到用作点校正的已知控制点。在测量点的界面“方法”中选择校正点，从网格点名称的列表中调出已输入的已知点，WGS-84坐标可通过实测得到，测量完毕后自动显示到校正界面，进行点校正，点击应用即可。 l (a)l (b)l (c)l 图6

27、-23外业点校正l 此时GPS点名称将自动变为在网格点名称加后缀_GPS的形式，在已知点上测3分钟后便能测得该点的WGS-84坐标，这样有了两套坐标系统我们就可以进行点校正了。 l 三分钟后校正点精度达到要求，点击存储，出现点校正界面。Trimble平面要求至少3个已知平面点对应进行点校正才能看到水平残差，高程至少要求4个已知高程点对应进行点校正才能看到垂直残差。在进行完3个或3个以上平面点校正后若最大水平残差小于0.05m，则我们认为此平面点校正的精度完全能够达到厘米级测量的要求。同样在使用4个或4个以上高程点校正后，若最大垂直残差小于0.08m，则我们认为此高程点校正的精度完全能够达到厘米级测量的要求。如图6-24所示：l 图6-24 点校正界面l 点击应用则RTK的点校正就完成了，此时GPS的坐标系统就已经转换为当地的坐标系统了。l 2.内业校正l 内业校正前提要求：l (1) Trimble强烈建议应当至少有3个控制点的三维已知地方平面坐标和相对独立的WGS-84坐标。 l (2) 控制器中建立的坐标系统为WGS-84坐标系统，即无项目/无水准，表示直接求取WGS-84坐标系统到地方坐标系统的所有参数。 l (3) 根据校正内容可以选择网格坐标中的只有平面、只有高程或全部。 l (4)