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RTK技术的误差分析及质量控制.rar

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    RTK 技术 误差 分析 质量 控制
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    编号:10009410431南阳师范学院 2014 届毕业生毕业论文(设计)题 目: RTK 技术的误差分析及质量控制 完 成 人: 任鑫蔚 班 级: 2010-04 学 制: 四年制 专 业: 测绘工程 指导教师: 杨 杰 完成日期: 2014-04-04 目录摘 要 ...........................................................(1)1 GPS-RTK 定位基本原理 .......................................(1)2 GPS-RTK 误差来源 ............................................(2)2.1 GPS-RTK 定位的误差分类 ....................................(2)2.2 同仪器和 GPS 卫星有关的误差 ...............................(3)2.2.1 天线相位中心变化 .......................................(3)2.2.2 轨道误差 ...............................................(3)2.2.3 卫星钟差 ...............................................(3)2.2.4 观测误差 ...............................................(3)2.2.5 基准站精度.............................................(3)2.2.6 坐标转换参数的误差影响 .................................(4)2.3 同信号传播有关的误差 ......................................(4)2.3.1 电离层误差 .............................................(4)2.3.2 对流层误差 .............................................(4)2.3.3 多路径误差 .............................................(5)2.3.4 信号干扰 ...............................................(5)2.3.5 几何图形强度影响 .......................................(5)3 RTK 测量方法步骤 ............................................(5)3.1 基站 RTK 测量方法 ...........................................(5)3.2 网络 RTK 的作业流程 ........................................(8)4 实例分析 .....................................................(8)4.1 实例一 .....................................................(8)4.2 实例二 ....................................................(10)5 GPS--RTK 定位的质量控制 ..................................(12)5.1 对坐标参数转换的要求 ......................................(12)5.2 建模时校正点选择要求 ......................................(13)5.3 基准点选择要求 ............................................(13)5.4 观测时间要求 ..............................................(13)5.5 机内精度设置要求 ..........................................(14)5.6 RTK 观测架站要求 ..........................................(14)5.7 重复观测 ..................................................(14)5.8 解决盲点 ..................................................(14)5.9 加强观测中的校核 ..........................................(14)5.10 作业半径的限制 ...........................................(15)5.11 整周模糊度确定 ...........................................(15)6 结束语 ..................................................... (15)参 考 文 献 ....................................................(16)Abstract .......................................................(17)第 1 页 共 17 页 RTK 技术的误差分析及质量控制作 者:任鑫蔚指导老师:杨 杰摘 要:本文介绍了 GPS RTK 技术的定位的基本原理,及利用 RTK 测量的方法步骤,分析了 GPS-RTK 定位的误差来源。同时通过工程实例,将 RTK 测量数据与全站仪实测边、四等水准比较,验证了 GPS RTK 测量的精度。并对 RTK 测量的质量控制进行分析。关键词:RTK 技术;误差;精度;质量控制1 GPS-RTK 定位基本原理RTK(Real - time kinematic)实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法,以前的静态、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 [1],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方法,是GPS应用的重大的里程碑,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。RTK实时动态定位系统主要包括3个部分: ①基准站②流动站③电台(通常称数据链)。RTK技术是一种高效的定位技术,根据GPS的相对定位理论,它是利用2 台以上GPS 接收机同时接收卫星信号。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;移动站接收机在跟踪GPSW卫星信号的同时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处理,计算载波相位整周模糊度,实时地给出待测点的坐标、高程及实测精度。RTK 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,数据处理技术关键即初始整周模糊度的快速解算,数据传输技术关键即高波第 2 页 共 17 页 特率数据链传输的高可靠性和强抗干扰性。RTK 正常工作的基本条件 [2]:基准站和移动站同时接收到5 颗以上GPS 卫星信号;基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准站发出的差分信号;基准站和移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号,即移动站迁站过程中不能关机,不能失锁,否则 RTK 须重新初始化。RTK技术受外界条件的影响和限制较小,只要能满足基本工作条件,就能快速、准确地定位测量待测点三维坐标。RTK 技术测量中间环节少、人工干预少,测量效率高,具有传统常规测量作业无可比拟的优势。但是,这一技术仍存在局限性。例如基准站信号的传输延迟给定时定位带来误差,高波特率数据传输的可靠性及电台干扰更是影响工作中的关键问题。2 GPS-RTK 误差来源2.1 GPS-RTK 定位的误差分类(1)同仪器和 GPS 卫星有关的误差:包括天线相位中心变化、轨道误差、钟误差、观测误差等;(2)同信号传播有关的误差:包括电离层误差、对流层误差、多路径效应、信号干扰等。对固定基准站而言,同仪器和 GPS 卫星有关的误差可通过各种校正方法予以削弱,同信号传播有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大,所以 RTK 的有效作业半径是有限的(一般为 10km 内) 。第 3 页 共 17 页 2.2 同仪器和 GPS 卫星有关的误差2.2.1 天线相位中心变化 天线的机械中心和电子相位中心一般不重合。而且电子相位中心是变化的,它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。天线相位中心的变化,可使点位坐标的误差一般达到 3-5cm。因此,天线相位中心的变化,对 RTK 定位精度的影响非常大 [3]。实际作业中,可通过观测值的求差来削弱相位中心偏移的影响,要求接收机的天线均应按天线附有的方位标志进行定向,必要时应进行天线检验校正。2.2.2 轨道误差 目前,随着定轨技术的不断完善,轨道误差只有 5~10m,其影响到基线的相对误差不到 1ppm,就短基线(<10km)而言,对结果的影响可忽略不计。但是,对 20~30km 的基线则可达到 2~3cm。2.2.3 卫星钟差 目前钟差可通过对卫星钟运行状态的连续监测而精确地确定,钟差对传播距离的影响不会超过 6m,影响基线的相对误差约 0.2ppm,就 RTK 观测的影响可忽略不计。2.2.4 观测误差 主要是对中、整平及天线高量取的误差。要求对仪器要认真细心地架设,要有高度的责任心,对天线高的量取可采用两次量取,量取部位要准确,不能有差错 [3]。2.2.5 基准站精度基准站的坐标精度较低,流动站得到的三维坐标都会带有系统第 4 页 共 17 页 偏差。因此,基准站具有较高的精度非常重要。第一次设置基准站,应联测一个已知点进行检核。2.2.6 坐标转换参数的误差影响RTK 测量精度主要取决于测量误差和坐标转换参数的误差。坐标转换参数的影响因素有计算转换参数的已知点的点位误差、已知点和待测点的几何关系、坐标转换参数的计算方法等。一般采用布尔沙模型计算七参数 [4],七参数的优点在于能够保持 GPS 测量的计算精度,只要地方坐标足够紧密,公共点的分布合理,在控制区域都能适用。2.3 同信号传播有关的误差2.3.1 电离层误差电离层引起电磁波传播延迟从而产生误差,其延迟强度与电离层的电子密度密切相关。电离层的电子密度随太阳黑子活动状况、地理位置、季节变化、昼夜不同而变化,白天为夜间的 5 倍,冬季为夏季的 5 倍,太阳黑子活动最强时为最弱时的 4 倍。利用下列方法使电离层误差得到有效的消除和削弱:利用双频接收机将 L1 和 L2 的观测值进行线性组合来消除电离层的影响;利用两个以上观测站同步观测量求差(短基线) [4];利用电离层模型加以改正。实际上 RTK 技术一般都考虑了上述因素和办法。但在太阳黑子爆发期内,RTK 测量无法进行。2.3.2 对流层误差 对流层误差同点间距离和点间高差密切相关,高度角 90°时可使电磁波的传播路径差达 2~3mm,当高度角为 10°时高达 20m 左右。利用下列方法使对流层误差得到有效的消除和削弱:卫星高度第 5 页 共 17 页 截止角不得小于 15°;利用两个以上观测站同步观测量求差(短基线) ;利用对流层模型加以改正。2.3.3 多路径误差 多路径误差是 RTK 定位测量中最严重的误差。多路径误差取决于天线周围的环境。多路径误差一般为几个厘米,高反射环境下可超过 10cm。多路径误差可通过下列措施予以削弱:选择地形开阔、不具反射面的点位;采用扼流圈天线或具有削弱多径误差的各种技术的天线;基地站附近辅设吸收电波的材料。2.3.4 信号干扰 信号干扰可能有多种原因,如无线电发射源、雷达装置、高压线等,干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。为了削弱电磁波辐射干扰作用,必须在选点时远离这些干扰源,离无线电发射台应超过 200m[5],离高压线应超过 50m。在基地站削弱天线电噪声最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周跳和信噪比。 2.3.5 几何图形强度影响根据卫星星历预报,选择几何图形强度因子较小,卫星数量较多且分布较好的时段进行测设,图形强度越高,RTK 的精确性和可靠性越高,初始化所需的时间越短;适当延长在每个流动站上的观测时间,确保测量数据是固定解。3 RTK 测量方法步骤3.1 基站 RTK 测量方法(1)基准站和移动站安装基准站安装:第 6 页 共 17 页 ①在基准站架设点安置脚架,安装上基座对点器,再将基准站主机装上连接器置于基座之上,对中整平。②安置发射天线和电台,建议使用对中杆支架,将连接好的天线尽量升高,再在合适的地方安放发射电台,用多用途电缆和扩展电源电缆连接主机,电台和蓄电池。③检查连接无误后,打开电池开关,再开电台和主机开关,并进行相关设置。移动站安装:①连接碳纤对中杆,移动站主机和接收天线,完毕后主机开机。②安装手簿托架,固定数据采集手簿,打开手簿进行蓝牙连接,连接完毕后即可进行仪器设置操作。(2)仪器设置手工设置:不论基准站还是移动站,都可以通过手工来对工作模式进行设置。①按紧 F 和 I 开机,保持按下状态直到 6 个灯都同时闪烁。按 F 切换模式,顺序为移动站、基准站、静态、直连电台、直连网络、直连外置。 (后三项直连模式在按 F 切换后已经打通,不需要按 I)按I 键重新启动。②在工作状态,短按 F 显示模式。松开 F 键 5 秒后 LED 灯恢复到正常工作模式。③长按 F 键 5 秒直到蜂鸣器响且 LED 进入数据链选择模式后松开,则开始选择数据链。按 F 键选择数据链后,按 I 开始切换。④按 I 键 3 秒以上 10 秒以下,所有 LED 均不亮的时候放开,关闭主机。⑤按 I 键 10 秒以上,BAT(内置电池)和 PWR 灯长亮,放开后系统开始自检(主机正常工作之前需自检) 。(3)参数设置—新建工程新建作业的方式有向导和套用两种,下面先介绍用向导建立工程。①使用向导方式新建工程:首先在作业名称里面输入所要建立工程的名称,新建的工程将
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