论文部分内容阅读
目前,实时动态测量技术(Real Time Kinematic,简称RTK)以其实时、高效、不受通视条件限制等优点,已广泛应用于工程控制测量、像片控制测量、施工放样测量及地形碎部测量等诸多方面,倍受用户青睐。但是,相对于GPS静态测量,RTK的实时性也给测量人员提出了更高的要求。因为RTK测量缺少必要的检核条件,作业时如果操作失误或某些技术问题处理不当,都将会给测量成果带来严重影响。因此,及时了解RTK的技术特点及提高RTK测量成果精度的关键技术,对RTK测量将大有裨益。
生产实例：宁波市鄞州区1：2000航测数字图3D产品制作工程补充基础控制测量。
为满足宁波市鄞州区城市规划、建设用图需要，宁波市规划局鄞州分局决定对宁波市鄞州区东、西部地区分两个标段（总面积约700km2）进行1：2000航测数字化成图工作,其中包括基礎控制测量、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字线划图（DLG）、DOM影像挂图制作等项测绘工作。内蒙古煤田地质局勘测队承担了东部地区的补充基础控制测量及像控点测绘任务，面积约为300 km2。
一、 RTK的原理
RTK是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。RTK测量系统通常由3部分组成,即GPS信号接收部分(GPS接收机及天线)、实时数据传输部分(数据链,俗称电台)和实时数据处理部分(GPS控制器及其随机实时数据处理软件)。
RTK测量是根据GPS的相对定位理论,将一台接收机设置在已知点上(基准站),另一台或几台接收机放在待测点上(移动站),同步采集相同卫星的信号。基准站在接收GPS信号并进行载波相位测量的同时,通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站;移动站通过数据链接收来自基准站的数据,然后利用GPS控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS观测数据组成差分观测值进行实时处理,实时给出待测点的坐标、高程及实测精度,并将实测精度与预设精度指标进行比较,一旦实测精度符合要求,手簿将提示测量人员记录该点的三维坐标及其精度。作业时,移动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在已知点上先进行初始化后再进行动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则移动站可随时给出待测点的厘米级的三维坐标。
二、 RTK的特点
1、 RTK的误差。RTK测量的误差同GPS静态定位的误差类似,一般可分为两类,即同测站有关的误差和同距离有关的误差。
同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素影响等。其中多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差主要取决于GPS接收机天线周围的环境,若天线周围有高大建筑物或大面积水面时,将对电磁波有强反射作用。即天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号,还有从反射体反射的电磁波,这两种信号叠加作为观测量,将对定位产生误差。通常情况下,多径误差为1～5cm,高反射环境下可达10cm以上,且多径误差的大小常以5～20min的周期性变化,这对RTK测量将产生严重影响。
同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。目前轨道误差只有几米,其残余的相对误差约为1×10-6Ｄ,对长度小于10km的基线而言,其影响可忽略不计。电离层误差同太阳黑子活动密切相关,一般情况下,其影响小于5×10-6Ｄ,而当太阳黑子爆发时,影响值可达50×10-6Ｄ。对流层误差同点间距离和高差有关,一般影响在3×10-6Ｄ以内。
对于同测站有关的误差可通过各种校正方法和有效措施予以削弱,而同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离增大而加大。因此,在进行RTK测量时,除采取有效措施削弱测量误差外,还要对作业半径加以限制。
2、 整周模糊值。研究表明,确定整周模糊值(即初始化)的时间和可靠性,是RTK系统能否实时、准确定位的关键。
在正常条件下,地面两点间距离较短时,系统能够模拟电离层和对流层的影响,其残余影响也可通过对观测值的差分处理予以消除或减弱。但电离层的电子含量会随时空发生剧烈变化,卫星信号到达基准站和移动站将有不同的影响,且基线越长,影响越大,当电离层剧烈活动时,将导致周跳或失锁,即使是短基线也需要大大延长观测时间才能固定整周模糊值,严重时(如太阳黑子爆发时)甚至根本不能固定整周模糊值。
实践证明,确定整周模糊值的时间和可靠性取决于4个因素,即接收机类型(单频或双频)、所观测卫星的个数、移动站至基准站的距离及RTK软件质量。一般地,双频RTK初始化的时间比单频RTK要短,而且同距离的关系不大;解算时采用的星数越多,RTK的精确性和可靠性越好;移动站至基准站的距离越近,其初始化的时间也越短。
3、 数据链。RTK测量时,移动站需要实时地接收基准站播发的差分信号(观测值及相关数据),才能求定待定点的位置。因此,能否连续可靠地接收基准站播放的信号,是RTK能否成功的决定因素,也是制约RTK测程的关键。
目前,RTK系统的数据传输多采用超高频(UHF)、甚高频(VHF)和高频(HF)播发差分信号。在测绘领域的RTK应用中,无论单频或双频RTK系统,当前国际上都采用UHF电台播发差分信号,其频率大约为450～470MHZ,波长约60cm左右。根据电磁波理论,它的传输属于一种视距传输(准光学通视),其最大的传输距离是由接收天线的高度、地球曲率半径以及大气折射等因素决定的。因此,在沙漠、戈壁、平原、海域等地区,其RTK定位的效果比较好;而在城区、山地、森林等地区进行RTK测量时,其成果质量及作业效率将受到一定影响,甚至无法进行作业。
4、坐标系统。RTK与GPS静态测量一样,GPS接收机接收的卫星信号经数据处理后,首先得到的是地心坐标系(WGS84)坐标,而在测绘工程中应用的通常是地方坐标系的平面直角坐标(1990年西安坐标系、1964年北京坐标系或地方独立坐标系等),其高程一般为正常高。因此,为了把MGS 84坐标系坐标转换为地方坐标系坐标,作业前首先要根据坐标转换关系式求解两种坐标系间的转换参数。
三、RTK测量中的一般要求
为了保证RTK测量的精度、速度(初始化时间)和可靠性,除了正确求解坐标转换参数、合理设置基准站和限制作业半径外,在RTK测量中还应注意以下几点:
1 、观测卫星的图形强度要高。进行坐标解算时,采用的卫星数越多,分布越均匀,则ＰＤＯＰ值越小,RTK的精确性和可靠性越高,且初始化的时间也越短。因此,一般情况下,在接收卫星数保持5颗以上,且ＰＤＯＰ<6时,才能进行RTK测量。
2、 作业员的责任心要强。作业员的专业水平、经验和责任心对RTK成果的精确性和可靠性有着严重的影响。作业时,接收机的对中、整平、天线高的量取及输入已知点坐标、坐标转换参数及天线高等数据的任何误差,都将影响RTK测量的全部坐标。因此,要求作业员必须具有强烈的责任心,认真严格地按规程操作,另外,对仪器基座和测杆上的水准器等必须定期严格校正,以避免系统误差的影响。
3 、观测成果要注意复核。RTK测量具有显著的实时、快捷等优点,但其初始化(整周模糊值)的置信度通常为95%～99%,且作业中缺乏检核条件,个别点可能会出现粗差。因此,为了保证RTK的实测精度和可靠性,作业中必须注重成果的复核。成果的复核分为作业前复核和作业中复核。作业前复核是指在RTK作业前,先在已知点上检测,新测坐标与已知坐标较差符合要求后,才能进行RTK测量；作业中复核一般是指在作业中采用不同起算点测定部分重合点,或在同一点上采用两次观测法(失锁或关机)观测。
4、 保证测量精度。用RTK方法进行控制测量时,应采取一定的措施保证测量精度。为了保证测量成果的精确、可靠,宜采用多历元的观测结果；同时,观测时应使用三脚架固定移动站的天线,进行严格的对中、整平,并远离各种强电磁干扰源和大面积的信号反射物。由于受卫星信号、接收机状态、测站周围环境及仪器操作的影响,RTK定位有时会出现失真,其成果不可能100%的可靠。因此,在作业中,要根据RTK技术的特点及测区状况,采取有效措施,严格按操作规程作业,并加强成果的复核,以确保RTK成果的精确性和可靠性。
四、 RTK工程测量成果
在本次工程测量中，使用中海达公司生产的9900E动态GPS接收机共施了工程点86个。为了检验RTK工程点的实际所能达到的精度，RTK测量结束后，应用电子全站仪对部分相互通视工程点间的相对关系进行了实地检查，对平面和高程分别进行了三个测回观测。根据检测数据与RTK测量数据的较差和中误差计算公式±〔dd〕/2n，可算得相邻工程点间的边长中误差，高差中误差。在多方向测站，重新推算其他相邻点的坐标和高程，根据检测数据与RTK测量数据的较差，可算得工程点相对于相邻点点位中误差和高差中误差与地形测量中地物点点位中误差，以及相对于相邻点点位中误差之间的关系。可以推导出RTK工程点点位中误差和相邻点位中物差基本相等，因此可以推算工程点点位中误差、高程中误差。经检查，RTK实测精度完全可以达到预设精度指标。
生产实例：宁波市鄞州区1：2000航测数字图3D产品制作工程补充基础控制测量。
为满足宁波市鄞州区城市规划、建设用图需要，宁波市规划局鄞州分局决定对宁波市鄞州区东、西部地区分两个标段（总面积约700km2）进行1：2000航测数字化成图工作,其中包括基礎控制测量、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字线划图（DLG）、DOM影像挂图制作等项测绘工作。内蒙古煤田地质局勘测队承担了东部地区的补充基础控制测量及像控点测绘任务，面积约为300 km2。
一、 RTK的原理
RTK是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的厘米级精度的三维定位结果。RTK测量系统通常由3部分组成,即GPS信号接收部分(GPS接收机及天线)、实时数据传输部分(数据链,俗称电台)和实时数据处理部分(GPS控制器及其随机实时数据处理软件)。
RTK测量是根据GPS的相对定位理论,将一台接收机设置在已知点上(基准站),另一台或几台接收机放在待测点上(移动站),同步采集相同卫星的信号。基准站在接收GPS信号并进行载波相位测量的同时,通过数据链将其观测值、卫星跟踪状态和测站坐标信息一起传送给移动站;移动站通过数据链接收来自基准站的数据,然后利用GPS控制器内置的随机实时数据处理软件与本机采集的GPS观测数据组成差分观测值进行实时处理,实时给出待测点的坐标、高程及实测精度,并将实测精度与预设精度指标进行比较,一旦实测精度符合要求,手簿将提示测量人员记录该点的三维坐标及其精度。作业时,移动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在已知点上先进行初始化后再进行动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则移动站可随时给出待测点的厘米级的三维坐标。
二、 RTK的特点
1、 RTK的误差。RTK测量的误差同GPS静态定位的误差类似,一般可分为两类,即同测站有关的误差和同距离有关的误差。
同测站有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素影响等。其中多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差主要取决于GPS接收机天线周围的环境,若天线周围有高大建筑物或大面积水面时,将对电磁波有强反射作用。即天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号,还有从反射体反射的电磁波,这两种信号叠加作为观测量,将对定位产生误差。通常情况下,多径误差为1～5cm,高反射环境下可达10cm以上,且多径误差的大小常以5～20min的周期性变化,这对RTK测量将产生严重影响。
同距离有关的误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。目前轨道误差只有几米,其残余的相对误差约为1×10-6Ｄ,对长度小于10km的基线而言,其影响可忽略不计。电离层误差同太阳黑子活动密切相关,一般情况下,其影响小于5×10-6Ｄ,而当太阳黑子爆发时,影响值可达50×10-6Ｄ。对流层误差同点间距离和高差有关,一般影响在3×10-6Ｄ以内。
对于同测站有关的误差可通过各种校正方法和有效措施予以削弱,而同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离增大而加大。因此,在进行RTK测量时,除采取有效措施削弱测量误差外,还要对作业半径加以限制。
2、 整周模糊值。研究表明,确定整周模糊值(即初始化)的时间和可靠性,是RTK系统能否实时、准确定位的关键。
在正常条件下,地面两点间距离较短时,系统能够模拟电离层和对流层的影响,其残余影响也可通过对观测值的差分处理予以消除或减弱。但电离层的电子含量会随时空发生剧烈变化,卫星信号到达基准站和移动站将有不同的影响,且基线越长,影响越大,当电离层剧烈活动时,将导致周跳或失锁,即使是短基线也需要大大延长观测时间才能固定整周模糊值,严重时(如太阳黑子爆发时)甚至根本不能固定整周模糊值。
实践证明,确定整周模糊值的时间和可靠性取决于4个因素,即接收机类型(单频或双频)、所观测卫星的个数、移动站至基准站的距离及RTK软件质量。一般地,双频RTK初始化的时间比单频RTK要短,而且同距离的关系不大;解算时采用的星数越多,RTK的精确性和可靠性越好;移动站至基准站的距离越近,其初始化的时间也越短。
3、 数据链。RTK测量时,移动站需要实时地接收基准站播发的差分信号(观测值及相关数据),才能求定待定点的位置。因此,能否连续可靠地接收基准站播放的信号,是RTK能否成功的决定因素,也是制约RTK测程的关键。
目前,RTK系统的数据传输多采用超高频(UHF)、甚高频(VHF)和高频(HF)播发差分信号。在测绘领域的RTK应用中,无论单频或双频RTK系统,当前国际上都采用UHF电台播发差分信号,其频率大约为450～470MHZ,波长约60cm左右。根据电磁波理论,它的传输属于一种视距传输(准光学通视),其最大的传输距离是由接收天线的高度、地球曲率半径以及大气折射等因素决定的。因此,在沙漠、戈壁、平原、海域等地区,其RTK定位的效果比较好;而在城区、山地、森林等地区进行RTK测量时,其成果质量及作业效率将受到一定影响,甚至无法进行作业。
4、坐标系统。RTK与GPS静态测量一样,GPS接收机接收的卫星信号经数据处理后,首先得到的是地心坐标系(WGS84)坐标,而在测绘工程中应用的通常是地方坐标系的平面直角坐标(1990年西安坐标系、1964年北京坐标系或地方独立坐标系等),其高程一般为正常高。因此,为了把MGS 84坐标系坐标转换为地方坐标系坐标,作业前首先要根据坐标转换关系式求解两种坐标系间的转换参数。
三、RTK测量中的一般要求
为了保证RTK测量的精度、速度(初始化时间)和可靠性,除了正确求解坐标转换参数、合理设置基准站和限制作业半径外,在RTK测量中还应注意以下几点:
1 、观测卫星的图形强度要高。进行坐标解算时,采用的卫星数越多,分布越均匀,则ＰＤＯＰ值越小,RTK的精确性和可靠性越高,且初始化的时间也越短。因此,一般情况下,在接收卫星数保持5颗以上,且ＰＤＯＰ<6时,才能进行RTK测量。
2、 作业员的责任心要强。作业员的专业水平、经验和责任心对RTK成果的精确性和可靠性有着严重的影响。作业时,接收机的对中、整平、天线高的量取及输入已知点坐标、坐标转换参数及天线高等数据的任何误差,都将影响RTK测量的全部坐标。因此,要求作业员必须具有强烈的责任心,认真严格地按规程操作,另外,对仪器基座和测杆上的水准器等必须定期严格校正,以避免系统误差的影响。
3 、观测成果要注意复核。RTK测量具有显著的实时、快捷等优点,但其初始化(整周模糊值)的置信度通常为95%～99%,且作业中缺乏检核条件,个别点可能会出现粗差。因此,为了保证RTK的实测精度和可靠性,作业中必须注重成果的复核。成果的复核分为作业前复核和作业中复核。作业前复核是指在RTK作业前,先在已知点上检测,新测坐标与已知坐标较差符合要求后,才能进行RTK测量；作业中复核一般是指在作业中采用不同起算点测定部分重合点,或在同一点上采用两次观测法(失锁或关机)观测。
4、 保证测量精度。用RTK方法进行控制测量时,应采取一定的措施保证测量精度。为了保证测量成果的精确、可靠,宜采用多历元的观测结果；同时,观测时应使用三脚架固定移动站的天线,进行严格的对中、整平,并远离各种强电磁干扰源和大面积的信号反射物。由于受卫星信号、接收机状态、测站周围环境及仪器操作的影响,RTK定位有时会出现失真,其成果不可能100%的可靠。因此,在作业中,要根据RTK技术的特点及测区状况,采取有效措施,严格按操作规程作业,并加强成果的复核,以确保RTK成果的精确性和可靠性。
四、 RTK工程测量成果
在本次工程测量中，使用中海达公司生产的9900E动态GPS接收机共施了工程点86个。为了检验RTK工程点的实际所能达到的精度，RTK测量结束后，应用电子全站仪对部分相互通视工程点间的相对关系进行了实地检查，对平面和高程分别进行了三个测回观测。根据检测数据与RTK测量数据的较差和中误差计算公式±〔dd〕/2n，可算得相邻工程点间的边长中误差，高差中误差。在多方向测站，重新推算其他相邻点的坐标和高程，根据检测数据与RTK测量数据的较差，可算得工程点相对于相邻点点位中误差和高差中误差与地形测量中地物点点位中误差，以及相对于相邻点点位中误差之间的关系。可以推导出RTK工程点点位中误差和相邻点位中物差基本相等，因此可以推算工程点点位中误差、高程中误差。经检查，RTK实测精度完全可以达到预设精度指标。