RTK在工程测量中的应用.docx

1、RTK在工程测量中的应用目 录摘 要 4第1章 绪 论 51.1 GPS发展现状 51.2 课题研究的目的和意义 61.3 课题研究的主要内容 6第2章 全球定位系统GPS技术和RTK技术 62.1 GPS系统的组成 62.3 GPS的特点 82.4 RTK系统的组成 92.5 RTK技术的应用 92.6 GPS RTK技术的特点 11第3章 GPS RTK测量作业方式 123.1 GPS RTK系统的工作原理 123.2 GPS RTK的基本配置 123.3 GPS RTK作业要求 123.4 GPS RTK作业模式 133.5 GPS RTK 仪器状态设置 133.6 坐标系统的转换方法

2、143.7 GPS RTK测量的几种作业方式 153.7.1 不同起算条件下的GPS RTK作业方式 153.7.2 不同坐标系统下的GPS RTK作业方式 163.8 GPS RTK测量作业方式的选择 173.9 提高GPS RTK精度的方法与措施 17第4章 GPS在工程测量中的应用 174.1 概述 174.2 GPS测量的布网特色与布网方法 184.2.1 GPS测量的布网特色 184.3 GPS在工程测量中的应用 194.4 GPS在工程测量中的应用实例 204.4.1测区基本概况 204.4.2技术指标 204.4.3平面控制网的布设 214.4.4选点埋石 214.4.5外业观测

3、 214.4.6 GPS数据处理 22第5章 结论 235.1 几点体会 23参考文献 25摘 要GPS（Global Positioning System)全球定位系统是美国研制并在1994年投入使用的卫星导航与定位系统。其应用技术已遍及国民经济的各个领域。它是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，GPS RTK技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用。本文将介绍GPS在工程控制测量中的应用，并提出几点体会。关键词：GPS；GPS RTK；工程测

4、量；工程控制测量中的应用第1章 绪 论1.1 GPS发展现状全球定位系统GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距。是目前最先进、应用最广泛的卫星定位系统。是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在陆、海、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS是一种全新的空间无线电导航系统，它不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力，而且能实时地对运

5、动载体的速度、姿态进行测定以及精确授时。GPS是现代科学技术发展的结晶，已成为导航技术现代化的里程碑。早在1990年的海湾战争中，尽管GPS系统尚未全部建成，但它从根本上解决了空中、陆地、和海上运载体的定位和导航问题，为美军及其盟军部队预测打击敌人，正确引导部队迅速穿越沙漠，占领预定目标以及效率极高地提供后勤救援发挥了前所未有的重要作用。现在，美国、日本、德国等发达国家在国内建立了大量GPS 综合应用网络,如美国的连续运行参考站网络系统(CORS) 、美国CUE ,ACCQPOIN T 公司的广域定位导航服务网络、加拿大的主动控制网系统(CACS) 、德国的卫星定位与导航服务计划(SA2POS

6、) 、日本的GPS 连续应变监测系统(COSMOS)等。随着我国信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，电子政务、电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化，需要采集多种实时地理空间数据，几年来，国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络，其中著名的有中国地震局牵头建设的中国地壳运动监测网络，交通部建设的沿海差分站网络系统，信息产业部建立的电离层监测网络，国家测绘局建立的连续运行参考框架网络，部队建设的连续跟踪站网络等。目前，为满足国民经济建设信息化的需要，一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统，特别是具有多种功能的综合服务系统，如深圳、

7、北京、上海、四川、昆明、香港、天津等城市。我国GPS 综合服务系统的建设现已进入快速发展时期。在测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域,我国做了大量的GPS研究工作。在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS静态定位和动态高精度定位软件以及精密定轨软件。随着我国现代化的进程速度越来越快,对GPS的需求也越来越多，GPS也会发掘出巨大的功能潜力，使GPS具有更大、更广阔的发展空间。1.2 课题研究的目的和意义GPS RTK技术作为测绘领域内

8、的高科技技术，已经为测绘提供了有力的测量定位手段，特别是GPS RTK测量技术的发展和推广，使得GPS测量技术真正开始走上了取代全站仪进行各种地面测量和数据采集工作的新阶段，扩大了GPS测量的应用领域。课题的目的探讨了GPS技术和GPS RTK技术的组成、应用及特点。作为新技术GPS RTK，课题就其在工程测量应用方面的可行性将做出探究、证实。1.3 课题研究的主要内容载波相位差分技术即RTK技术，它是建立在全球定位系统 (GPS)基础之上的实时动念定位技术，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

9、量方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为各种控制测量、地形测图、工程放样及海洋、地籍测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。课题将在工程测量方面，结合实践做出一番探究。第2章 全球定位系统GPS技术和RTK技术2.1 GPS系统的组成GPS(Global Positioning System)是美国研制的导航、授时和定位系统。它由三部分构成：一是地面控制部分，由主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、地面天线（在主控站的控制下向卫星注入导航电文）、监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上；三是用户装置部分，主

10、要由GPS接受机和卫星天线组成。用户只需购买GPS接受机，就可享受免费的导航，授时和定位服务。GPS系统的空间部分有21颗工作卫星及3颗备用卫星组成，它们均匀分布在6个相对于赤道的倾角为55度的近似圆形轨道上，每个轨道上有4颗卫星运行，它们距地面的平均高度为20200km，运行周期为12恒星时。GPS卫星星座均匀覆盖着地球，可以保证地球上所有地点在任何时刻都能看到至少4颗GPS卫星。2.2 GPS的应用GPS定位系统的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米

11、级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。1.GPS在大地测量中的应用对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数，也可用于改造和加强原有的国家大地控制网；可用于建立陆地海洋大地测量的基准，进行海洋测绘和高精度的海岛陆地联测；用于监测地球板块运动和地壳形变；在建立城市测量和工程测量的平面控制网时GPS已成为主要方法；GPS还可用于测定航空航天摄影的瞬间位置，实现仅有少量的地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。2.在工程测量方面应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程

12、控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、飞机场轴线定位、地铁精密导线测量、隧道贯通测量等精密工程。3.在航空摄影测量方面我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。可以极大地减少地面控制点的数目，缩短成图周期，降低成本。4.在其他领域中的应用在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；在水下地形测量中应用GPS卫星定位技术，可以快速、高精度地测定测深仪的位置；还有在公安、交通系统中给车辆、轮船等交通工具的导航定位提供了具体的实时定位能力；在农业领域中应用差分技术对土壤养分分布调查、

13、监测作物产量、合理施肥、精确农业管理以及在林业管理和旅游中的应用。今后，GPS就像移动电话、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。2.3 GPS的特点GPS定位技术自从应用于测量工程，就以其特有的自动化、全天候、高精度的显著优势令经典大地测量刮目相看，具体表现在以下几个方面：1.选点灵活在经典大地测量中，即要求点位之间的良好的通视条件，又要求点位形成良好的图形结构，这是长期困扰选点工作的难题，而GPS定位既不要求点位之间通视，又对点位图形结构没有过苛要求，使点位的选择极为灵活。2.精度高实践已经证明，在1000km的距离上，相对定位精度可以达10-8；在100500

14、km的距离上，相对定位精度可以达到10-610-7；在小于50km距离上，相对定位精度可以达到10-6。而另一方面，又无须建造测量高标。它们的优越性是经典大地测量工作无法攀比的。3.操作简便GPS定位的自动化程度很高，作业人员只限于安置仪器、开关仪器、量取仪器高和监视工作状态，其他如卫星捕获、跟踪观测、数据采集等均由仪器自动完成，加之仪器本身质量轻，体积小，携带方便，大大降低了作业难度，提高了功效。其次，GPS定位的结果，可以直接提供点的三维坐标，不仅可以精确确定点的平面位置，也为研究大地水准面的形状和确定地面点高程开辟了新途径。4.全天候作业GPS定位不受天气条件制约，可以在任何时间、任何地

15、点从事作业，加之观测时间缩短、速度加快，便利了人们对测量工程的统筹安排，使工程计划具有较大的可行性，为准确、快速地提供测绘成果成为可能。随着科学技术的进步和应用需求的增加，GPS已从当初的性能单一发展到今天的广泛应用。GPS以其独特的、强大的功能，涉足于国民经济的各个领域。尤其是近几年来向消费市场发展的势头很强，它已进入我们的日常工作、学习、生活和娱乐之中。GPS已成功地应用于大地测量和城市控制网；正在试验应用于民用飞机的航线导航和精确进场着陆；应用于陆地车辆的智能交通指挥与管理；应用于地球资源勘察、大型工程项目设计测量与形变监测；应用于航测与卫星遥感等。GPS技术的高精度和自动化深刻地影响着

16、地球动力学、大地测量学、天文学及其相关学科领域，它在这些基础学科的应用研究与开拓工作方面都取得了迅速的发展和卓越的成就，展示了GPS巨大的优势和潜力。在21 世纪GPS将继续成为军民两用的系统，既要更好地满足军事需要，也要扩展民用市场和应用的范围。GPS技术在各方面的应用正在蓬勃发展，可以相信，它正在向军用、民用及其他各个领域不断渗透与应用，也必将朝者更宽广的范围和更深刻的层次迅速发展。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，从其发展趋势看，GPS卫星定位技术也更加深入和普及测绘领域，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。2.4 RTK系统的组成RTK系统主要由

17、一个参考站(即基准站)和若干个流动站组成。1.基准站的组成 GPS接收机及其天线：用于接收GPS卫星信号；无线电传输设备（包括电台、手机通讯模块及发射天线）：用于发射基站无线电信号；电子手簿：用于设置基准站和电台的各项参数。 2.流动站的组成 GPS接收机及其天线：用于接收GPS卫星信号；无线电接收电台及其天线：用于接收基站电台发射的无线电信号；电子手簿：用于设置流动站和接受电台的各项参数，通过手簿进行各项测量工作的操作。 2.5 RTK技术的应用1.在控制测量中的应用传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何

18、。采用常规的GPS静态测量、快速静态伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度。如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求还必须返测。而采用GPS RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。如果把GPS RTK用于公路控制测量、线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且可大大地提高工作效率。测一个控制点在几分钟甚至几秒钟内就可完成。在过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图。现在发展到外业用全站

19、仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点。这些碎部点都要求与测站通视，而且一般要求至少23人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测。现在采用GPS RTK，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上35秒钟，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用GPS RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率。采用GPS RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设、公路管线

20、地形图的测设、配合测深仪可以用于测水库地形图、航海海洋测图等等。GPS RTK做控制测量的一般方法是：先选取一个已知点作为基准站，一般这个点是选用观测条件比较好、精度比较高的点，在基准站上安置一台GPS接收机并连好电台设备。将基准站的WGS-84坐标和地方坐标值输入GPS控制手簿。在测区选取分布均匀的3个以上的点，在GPS手簿中输入这些点的WGS-84坐标和地方坐标系坐标，手簿内置软件会自动计算控制点的坐标转换参数。在流动站观测采用快速静态模式，将GPS流动站安置在待定点上进行观测。流动站GPS接收GPS信号的同时还接收来自基准站电台的信号，将载波相位观测值进行实时差分处理从而计算出流动站的坐

21、标值，这时将在GPS手簿上实时显示点位坐标值及其精度，当精度达到要求时即可保存观测数据停止观测，时间一般只需要3-5 min。根据各生产单位的大量实践表明，用GPS RTK进行控制测量能够达到厘米级精度，一般都应该在1-2cm以内。与传统控制测量相比，GPS RTK测量具有效率高、误差累积少(各流动站之间不存在误差累积)的优点，在一些精度要求不太高的控制测量中被广泛应用。2.GPS RTK在碎部测量中的应用用GPS RTK进行地形测图碎部测量可以不进行图根控制而直接根据分布在测区的一些基准点进行各碎部点的测量。安置好基准站并输入必要已知数据(基准点坐标、参考点坐标等)后即可进行碎部测量。GPS

22、 RTK碎部测量与传统全站仪测量的人员配备不同，传统全站仪测量一个作业组至少3人，GPS RTK测量只需一人，另一人看守基准站即可。传统全站仪测1：1000地形图时一天能测量约800点(困难地区只有其一半)，而用GPS RTK一天能测1200点以上，大大提高了测量效率。同时RTK测量可以全天候进行，并且可以多个流动站同时进行碎部测量，效率可以成倍提高，而传统全站仪测量虽然一组可以多人跑镜但只能一人操作仪器，因而其速度提高是有限的。此外,传统全站仪测图需频繁搬站,消耗了大量时间。而GPS RTK测量则不受基准站和流动站之间的地物影响,设一基准站后可在半径10 km内采集任意碎部点(在能观测到4颗

23、以上GPS卫星的前提下)。由于GPS RTK测碎部点的快速与高效性，被广泛应用到一些特殊工作环境的测量中，如水上测量等。3.GPS RTK在放样工作中的应用放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来。过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要23人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时在放样中遇到困难的情况下需借助于很多方法才能放样。如果采用RTK技术放样，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要

24、放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，且只需一个人操作，因而效率会大大提高。2.6 GPS RTK技术的特点1.作业效率高。在一般的地形地势下，高质量的GPS RTK设站一次即可测完4km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。在一般的作业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。2.定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足GPS RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内(一般为4km)，GPS RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。3.降低了作业

25、条件要求。GPS 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，和传统测量相比，GPS 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GPS RTK的基本工作条件，它就能轻松地进行快速的高精度定位作业。4.GPS RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。GPS 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。第3章 GPS RTK测量作业方式3.1 GPS RTK系统的工作原理GPS

26、 RTK测量时，基准站将接收到的所有卫星信息及其基准站信息一起由通讯系统传送给各流动站。各流动站在接收卫星数据的同时还接收基准站传送的信息，当流动站完成初始化工作后，控制器即可根据接收到的信息实时计算并显示出流动站的点位坐标。GPS RTK测量同样是基于WGS-84地心坐标系统，其全部观测值及解算结果均属于WGS-84系统。我国目前采用的是1980年国家大地坐标系，也有仍采用以前的1954年北京坐标系或各种区域性坐标系统，因此必须将GPS RTK测量所得到的WGS-84坐标系成果转换为国家或地方坐标系成果，要实现这种转换就必须准确知道地方坐标与WGS-84坐标间的转换参数(平移因子、尺度因子、

27、旋转因子)，这是GPS RTK测量时必须首先解决的重要问题，它与GPS RTK测量的作业方式有着直接关系。3.2 GPS RTK的基本配置GPS RTK系统的组成主要包括：2台(或多台)GPS接收机，数据传输设备，相关处理软件。GPS接收机目前主要是用双频机，数据传输设备目前形式较多，主要是无线电台的形式，在城市车载系统中也提出用目前分布较广的GSM信号作为数据传输载体，电台发射信号半径的大小将直接影响GPS RTK的作业范围大小。处理软件目前各厂家的产品不同，但其基本功能必须满足以下要求：(1)快速解算整周未知数。(2)解算用户站在WGS-84下的坐标。(3)坐标系统和高程系统转换。(4)对

28、解算的质量进行评价与分析。(5)结果的显示与绘图。3.3 GPS RTK作业要求GPS RTK测量中，要求：1.能接收5个以上的GPS卫星。2.迁站过程中不能关机，不能失锁。3.必须能同时接收到GPS卫星的信号和基地站播发的差分信号。星数问题限制了GPS RTK技术的应用范围。在城镇高楼区、山地林荫区等凡所测星数少于5个时，GPS RTK测量就会遇到困难。将来，当GLONASS卫星全部组网，投入生产后，困难会少些。迁站过程中不能关机，不能失锁。不能关机容易做到，不能失锁则很难。当迁站过程中经过树下、立交桥下、隧道里时，都可能引起失锁。失锁后，必须重新初始化，即重新确定整周模糊值。确定整周模糊值

29、的时间和可靠性，取决于四个因素：单频机或双频机，所测星数，至基站的距离，GPS RTKRTK软件质量。3.4 GPS RTK作业模式根据用户的要求，目前实时动态测量采用的作业模式，主要有：1.快速静态测量采用这种测量模式，要求GPS接受机在每一用户站上，静止地进行观测。在观测过程中，连同接受到的基准站的同步观测数据，实时的解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可适时的结束观测。采用这种作业模式时，用户站的接受机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达12cm。2.动态测量同一般的准动态测量一样，这种测量模式，通常要求流动

30、站的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测，以便采用快速解算整周未知数的方法实时的进行初始化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站上，只需静止观测数个历元，并连同基准站的同步观测数据，实时地解算流动站的三维坐标。目前，其定位精度可达厘米级。该方法要求接收机在观测过程中，保持对所观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进行初始化工作。 3.动态观测动态测量模式，一般需首先在某一起始点上，静止地观测数分钟，以便进行初始化工作之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。这种测量模式，仍要求在观测过程中，保持对观

31、测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，则需重新进行初始化。这时，对陆上的运动目标来说，可以在卫星失锁的观测点上，静止地观测数分钟，以便重新初始化，或者利用动态初始化（AROF）技术，重新初始化，而对海上和空中的运动目标来说，则只有应用AROF技术，重新完成初始化的工作。目前，其定位的精度可达厘米级。3.5 GPS RTK 仪器状态设置(以Leica350型GPS接收机为例说明)数据链参数设置:参考站及流动站数据链信息(DATA LINK MESSAGES)应设置为ON状态,并将信息的输入/输出(MESSAGEINPUT/OUTPUT)设置为实时码/相位输出(RTIME CODE/PHASE OUT)

32、,通讯口的编号应设置为3号口。数据采集参数设置:参考站和流动站均采用压缩记录格式(COMPACTED),系统为每一个历元对卫星的观测值提供经过平滑处理后的结果,采样率一般为1-2s。数据记录参数:参考站的RECORDOBSERVISIONS一般设为NO,需要进行数据采集后处理工作时,则应设为YES,存储坐标格式(STORE COORD AS)可以为平面直角坐标(GRID)或WGS-84大地坐标。精度指标(REQUIRED COORD QUALITY)根据自己的要求进行设置,若星历情况良好,无遮挡物,仪器能够将精度指标控制在0.02m范围之内,精度指标可设为0.03m,亦可依测量精度的要求,将其点位坐标精度限制范围放大一些。流动站的RECORD OBSERVISIONS根据自己的作业要求进行设置,可以根据距离、时间进行采样记录,流动站的其他数据记录参数与参考站设置相同。3.6 坐标系统的转换方法动态GP