RTK静态控制测量的原理及使用方法.docx

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RTK静态控制测量的原理及使用方法

RTK静态控制丈量的原理及使用办法之五兆芳芳创作

0605 测绘联盟

一、RTK静态控制丈量的原理

RTK是以载波相位不雅丈量为按照的实时差分GPS丈量，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丈量系统通常由三部分组成，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丈量是按照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），同步收集相同卫星的信号.基准站在接收GPS信号并进行载波相位丈量的同时，通过数据链将其不雅测值、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收集的GPS不雅测数据组成差分不雅测值进行实时处理，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，一旦实测精度合适要求，手簿将提示丈量人员记实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入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态情况下完成整周模糊值的搜索求解.在整周模糊值固定后，便可进行每个历元的实时处理，只要能保持4颗以上卫星相位不雅测值的跟踪和需要的几何图形，则移动站可随时给出待测点的厘米级的三维坐标.

二、RTK静态控制丈量的使用办法

1控制点的布设

为了达到GPS丈量高精度、高效益的目的，削减不需要的花费，在丈量中遵循这样的原则：

在包管质量的前提下,尽可能地提高效率、下降成本.所以对GPS丈量各阶段的任务，都要精心设计，精心组织和实施.建议用户在丈量实施前，对整个GPS丈量任务进行公道的总体设计.

总体设计，是指对GPS网进行优化设计，主要是：

确定精度指标，网的图形设计，网中基线边长度的确定及网的基准设计.在设计中用户可以参照有关标准灵活地处理，下面将结合国际现有的一些资料对GPS丈量的总体设计复杂地介绍一下.

1、确定精度尺度

在GPS网总体设计中，精度指标是比较重要的参数，它的数值将直接影响GPS网的布设筹划、不雅测数据的处理以及作业的时间和经费.在实际设计任务中，用户可按照所作控制的实际需要和可能，公道地制定.既不克不及制定太低而影响网的精度，也不需要盲目追求太高的精度造成不需要的支出.

2、选点

选点即不雅测站位置的选择.在GPS丈量中其实不要求不雅测站之间相互通视，网的图形选择也比较灵活，因此选点比经典控制丈量简洁得多.但为了包管不雅测任务的顺利进行和可靠地保持丈量结果，用户注意使不雅测站位置具有以下的条件：

①确保GPS接收机上方的天空开阔GPS丈量主要利用接收机所接收到的卫星信号，并且接收机上空越开阔，则不雅测到的卫星数目越多.一般应该包管接收机所在平面15°以上的范围内没有修建物或大树的遮挡.

②周围没有反射面，如大面积的水域，或对电磁波反射（或吸收）强烈的物体（如玻璃墙，树木等），不致引起多路径效应.

③远离强电磁场的搅扰.

GPS接收机接收卫星播送的微波信号，微波信号都会受到电磁场的影响而产生噪声，下降信噪比，影响不雅测成果.所以GPS控制点最好离开高压线、微波站或产生强电磁搅扰的场合.邻近不该有强电磁辐射源，如无线电台、电视发射天线、高压输电线等，以免搅扰GPS卫星信号.通常，在测站周围约200m的范围内不克不及有大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等）；在50m内不克不及有高压输电线和微波无线电信号传递通道.④不雅测站最好选在交通便当的地方以利于其它丈量手段联测和扩展；

⑤地面根本稳固，易于点的保管.

注意：

用户如果在树木、觇标等对电磁波传播影响较大的物体下设不雅测站，当接收机任务时，接收的卫星信号将产生畸变，这样即便收集时各项指标，如不雅测卫星数、DOP值等都较好，但不雅测数据质量很差.

建议用户可按照需要在GPS点大约300米邻近成立与其通视的方位点，以便在需要时采取常规经典的丈量办法进行联测.

在点位选好后，在对点位进行编号时必须注意点位编号的公道性，在野外收集时输入的不雅测站名由四个任意输入的字符组成，为了在测后处理时便利及准确，必须不使点号重复.建议用户在编号时尽量采取阿拉伯数字按顺序编号.

3、基线长度

GPS接收机对收到的卫星信号量测可达毫米级的精度.但是，由于卫星信号在大气传播时不成避免地受到大气层中电离层及对流层的扰动，导致不雅测精度的下降.因此在使用GPS接收机丈量时，通常采取差分的形式，用两台接收机来对一条基线进行同步不雅测.在同步不雅测同一组卫星时，大气层对不雅测的影响大部分都被抵消了.基线越短，抵消的程度越显著，因为这时卫星信号通过大气层到达两台接收机的路径几近相同.

同时，当基线越长时，起算点的精度对基线的精度的影响也越大.起算点的精度经常影响基线的正常求解.

因此，建议用户在设计基线边时，应统筹基线边的长度.通常，对于单频接收机而言，基线边应以20千米范围以内为宜.基线边太长，一方面不雅测时间势必增加，另一方面由于距离增大而导致电离层的影响有所增强.

4、提高GPS网可靠性的办法

可以通过下面的一些办法提高GPS网的可靠性：

1、增加独立基线数

在布设GPS网时，适当增加不雅测时段数，对于提高GPS网的可靠性很是有效.因为随着不雅测时段数的增加，所测得的独立基线数就会增加，而独立基线数的增加对网的可靠性的提高是很是有效的.

2、包管一定的重复设站次数

包管一定的重复设站次数，可确保GPS网的可靠性.一方面，通过在同一测站上的多次不雅测，可有效地发明设站、对中、整平、量测天线初等人为错误；另一方面，重复设站次数的增加，也意味着不雅测期数的增加.不过需要注意的是，当同一台接收机在同一测站上连续进行多个时段的不雅测时，各个时段间必须重新安顿仪器，以更好地消除各类人为操纵误差和错误.

3、包管每个测站至少与三条以上的独立基线相连.

包管每个测站至少与三条以上的独立基线相连，这样可以使得测站具有较高的可靠性，在布设GPS网时，各个点的可靠性与点位无直接关系，而与该点上所连接的基线数有关，点上所连接的基线数越多点的可靠性则越高.

4、在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条

在布设GPS网时，查抄GPS不雅测值基线向量质量的最佳办法是异步环闭合差.而随着组成异步环的基线向量数的增加，其查验质量的能力将逐渐下降，因此，要控制最小异步环的边数.

所谓最小异步闭合环，即组成闭合环的基线边是异步的，且边数又是最少的.

5、提高GPS网精度的办法

可以通过下列办法提高GPS网的精度：

为包管GPS网中各相邻点具有较高的相对精度，对网中距离较近的点一定要进行同步不雅测，以取得它们间的直接不雅测基线；

为提高整个GPS网的精度，可以在全面网之上布设框架网，以框架网作为整个GPS网的骨架；

在布网时要使网中所有最小异步环的边数不大于6条；

若要采取高程拟合的办法测定网中各点的正常高/正高，则需在布网时选定一定数量的水准点.水准点的数量应尽可能的多，且应在网中均匀散布，还要包管有部分点散布在网中的四周，将整个网包含在其中；

为提高GPS网的尺度精度，可采取增设长时间、多时段的基线向量.

6、布设GPS网时起算点的选取与散布

若要求所布设的GPS网的成果与旧成果吻合最好，则起算点数量越多越好.若不要求所布设的GPS网的成果完全与旧成果吻合，则一般可选3～5个起算点，这样既可以包管新老坐标成果的一致性，也可以保持GPS网的原有精度.

为包管整网的点位精度均匀，起算点一般应均匀地散布在GPS网的周围.要避免所有的起算点散布在网中一侧的情况或连成一线的情况.

2、GPS基线解算

1、基线解算的步调

基线解算的进程，实际上主要是一个利用最小二乘法进行平差的进程.平差所采取的不雅测值主要是双差不雅测值.在基线解算时，平差要分五个阶段进行.第一阶段，按照三差不雅测值，求得基线向量的初值.第二阶段，按照初值及双差不雅测值进行周跳修复.第三阶段进行双差浮点解算，解算出整周未知数参数和基线向量的实数解.第四阶段将整周未知数固定成整数，即整周模糊度固定.在第五阶段，将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解整数解.

2、重复基线的查抄

同一基线边不雅测了多个时段得到的多个基线边称为重复基线边.对于不合不雅测时段的基线边的互差，其差值应小于相应级别规则精度的22倍.而其中任一时段的结果与各时段平均值之差不克不及超出相应级此外规则精度.

我们在进行基线处理时经常会遇到重复基线查抄不合格的情况.而造成这种情况的主要有以下几种情况：

1、在架设仪器时由于对中整平的误差造成（该种情况一般对短基线影响很大），处理该种情况时需要在出外业前对基座进行查抄并且进行外业不雅测架设仪器时严格对中整平.2、由于点号及仪器高输错、或外业记实时出错造成（这种情况最为普遍，并且由于该种情况还会造成异步环搜索时异步环不闭合），一般来说在软件上比较好查抄出出错的不雅测点，例如我们可以在软件上查抄不雅测数据通过不雅测数据的初始经纬度来判定点号是否出错.在搜索异步环时往往超限数据很是大.对于这种情况的处理一定要严非分特别业不雅测手簿的记实.

3、闭合环搜索

在GPS丈量中，为了查验GPS野外实测数据的质量，往往需要计较GPS网中同步环或异步环闭合差.

为了使精度评估更准确，往往需要删除一些重复基线，通常的软件都要求手工输入，若网较庞杂，则任务量就很是庞大，并且错误、遗漏也就难以避免.实际上，在软件中，可以结合图论的有关知识，采取深度优先搜索的办法搜索整个GPS网中的最小独立闭合环、最小独立异步闭合环、最小独立同步闭合环以及手工选定环路和重复基线.

所谓最小独立闭合环，具有以下几方面的寄义：

闭合环必须是最小的，即边数是最少的；

闭合环必须是独立的.

4、GPS基线向量网平差

在一般情况下，多个同步不雅测站之间的不雅测数据，经基线向量解算后，用户所取得的结果一般是不雅测站之间的基线向量及其方差与协方差.再者，在某一区域的丈量任务中，用户可能投入的接收机数总是有限的，所以，当布设的GPS网点数较多时，则需在不合的时段，依照预先的作业筹划，多次进行不雅测.而GPS解算不成避免地会带来误差、粗差以及不合格解.在这种情况下，为了提高定位结果的可靠性，通常需将不合时段不雅测的基线向量连接成网，并通过不雅丈量的整体平差，以提高定位结果的精度.这样组成的GPS网，将含有许多闭合条件，整体平差的目的，在于清除这些闭合条件的不符值，并成立网的基准.

另外，不管是静态解算仍是动态解算，都是在WGS84坐标系下进行的，罢了有的经典地面控制网范围大，资料丰厚；或，用户只进行小范围的丈量，需要的仅仅是局部平面坐标；加上，GPS单点定位的坐标精度较低，远远不克不及满足高精度丈量的要求.并且，通经常使用户需要的是国度坐标系下的大地坐标（或投影坐标）或地方坐标系下的投影坐标，高程坐标也不再是大地高（椭球高），而是水准高（正高）.有时还需要通太高精度GPS网与经典地面网的联合处理，增强和改良经典地面网，以满足用户的需要.这样就需要将WGS84之间的坐标增量转换到大地坐标中去，从而得到用户所需要的坐标.由于坐标系之间的系统参数不一样以及水准异常等原因，这种转换理所当然地会带来误差.

按照平差所进行的坐标空间，可将GPS网平差分为三维平差和二维平差.按照平差时所采取的不雅测值和起算数据的数量和类型，可将平差分为无约束平差约束平差和联合平差等.

所谓三维平差是指平差在空间三维坐标系中进行.不雅测值为三维空间中的不雅测值，解算出的结果为点的三维空间坐标.GPS网的三维平差，一般在三维空间直角坐标系或三维空间大地坐标系下进行.所谓二维平差，是指平差在二维平面坐标系下进行，不雅测值为二维不雅测值，解算出的结果为点的二维平面坐标.

所谓无约束平差，指的是在平差时不引入会造成GPS网产生由非不雅丈量所引起的变形的外部起算数据.罕有的GPS网的无约束平差，一般是在平差时没有起算数据或没有多余的起算数据.所谓约束平差，指的是平差时所采取的不雅测值完全是GPS基线向量，并且，在平差时引入了使得GPS网产生由非不雅丈量所引起的变形的外部起算数据.

GPS网的联合平差，指的是平差时所采取的不雅测值除了GPS不雅测值以外，还采取了地面常规不雅测值，这些地面常规不雅测值包含边长、标的目的、角度等不雅测值等.

3、常遇问题的解决办法

1．如何处理不合格基线

通过设置卫星高度角、采样距离、有效历元等参数可以对基线进行优化.

1卫星高度截止角

卫星高度角的截取对于数据不雅测和基线处理都很是重要，不雅测较低仰角的卫星有时会因为卫星信号强度太弱、信噪比较低而导致信号失锁，或信号在传输路径上受到较大的大气折射影响而导致整周模糊度搜索的失败.但选择较大的卫星高度角可能出现不雅测卫星数的缺乏或卫星图形强度欠佳，因此同样不克不及解算出最佳基线.

一般情况下处理基线中高度截止角默认设置为20度.如果同步不雅测卫星数太少或同步不雅测时间缺乏，对于短基线来说，可以适当下降高度角后重新试算，这样可能会取得满足要求的基线结果，此时应注意，要求测站的数据要稳定，且环顾条件要好，解算后的基线应进行外部检核（如同步环和异步环检核）以包管其正确性.

如果用默认设置值解算基线失败，且连续不雅测时间较长、不雅测的卫星数较多、图形强度因子GDOP值较小，则适当提高卫星的高度角重新进行解算可能会得到较好的结果，这主要是不雅测情况和低仰角的卫星信号产生了较严重的多路径效应和时间延迟所引起的.

2采样距离

一般的接收机具有较高的内部采样率（指野外作业设置的数据收集距离，由1秒至255秒自由设置，默认为15秒）.而处理基线中其实不是所有的数据都介入处理，而是从中按照优化原则选取其中一部分的数据采样进行处理.收集高质量的载波相位不雅测值是解决周跳问题的底子途径，而适当增加其收集密度，又是诊断和修复周跳的重要措施，因此在采取快速静态作业或该基线不雅测时间较短的情况下，可以适当把采样距离缩短.

3无效历元

在某些情况下，例如该卫星的安康情况卑劣；或测站情况不睬想、受电磁搅扰而导致某些卫星数据信号经常失锁；又或低仰角的卫星有时会因为卫星信号强度太弱、信噪比较低而导致信号失锁，或信号在传输路径上受到较大的大气折射影响而导致整周模糊度搜索的失败.此时应该对该卫星的星历进行处理.

通过查抄基线详解，可以对卫星不雅测中周跳的情况进行查抄，对于失锁次数较多的卫星或不雅测历元数过少的卫星进行剔除.

2如何确定坐标系统

1尺度坐标系统

采取尺度的WGS84、北京54以及国度80坐标系可以直接在网平差设置里选择，但是必须按要求输入正确的原点经度（投影中央子午线）.

2自定义坐标系统（或工程椭球）

①已知参数

一般的自定义坐标系（或工程椭球）是从尺度的国度坐标系转换而来，大多数情形下是对加常数或中央子午线、投影椭球高重新进行定义，因此必须选择相应的参数，包含所用椭球的参数、加常数、投影中央子午线、投影椭球初等.

②未知参数

假设是完全独立自定义的工程坐标系，尤其是没有办法与国度点联测、又或投影变形超出标准要求的，可以选用尺度椭球，例如北京54椭球参数，然后采取固定一点和一个方位角的办法来处理.具体办法如下：

采取基线某一端点的单点定位解作为起点，然后用高精度的红外激光测距仪测出到基线另一端点的边长，经过严格的更正后，投影到指定高度（一般是测区的平均高程面），然后假定一个方位角（一般是采取真南标的目的）算出基线终点的坐标，以此两点作为约束点，然后采取与前面一致的椭球参数，投影椭球高，此时注意原点经度（中央子午线）可以采取测区中央的子午线.这样，一方面使到其变形满足标准要求，另一方面在小比例尺的图上可以与国度尺度坐标系联系起来.

工程施工单位经常使用的自定义坐标系统.如果设计单位在测设时候布设了控制点且提供控制坐标成果的情况下.施工单位在使用GPS加密控制点的时候进行网平差就比较复杂.我们只需要联测设计院提供的成果进行平差就好.

但是如果设计单位没有提供控制点成果的情况下我们使用GPS进行控制点的不雅测时，就一定要确定好坐标系统.通常我们选择自定义坐标系统中的第二项即未知参数的情况进行网平差.例如某大桥的控制丈量我们布设好控制点落后行不雅测.数据处理完落后行网平差时.我们就可在某端选取一个点将该点的大地坐标（经纬度）正算成平面直角坐标，然后用高精度的红外激光测距仪测出到基线另一端点的边长，经过严格的更正后，投影到指定高度（一般是测区的平均高程面），然后假定一个方位角（一般是采取真南标的目的）算出基线终点的坐标，以此两点作为约束点，然后采取与前面一致的椭球参数，投影椭球高，此时注意原点经度（中央子午线）可以采取测区中央的子午线.亦可将该点的平面直角坐标作为约束点，然后在平差选择中选择角度约束指定另外一端点的坐标方位角和距离进行约束平差