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RTK-GPS在线路工程测量中的应用.rar

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    RTK GPS 线路 工程 测量 中的 应用
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    编号:09009410634南阳师范学院 2013 届毕业生毕业论文(设计)题 目: RTK-GPS 在线路工程测量中的应用完 成 人: 杨岭峰 班 级: 测绘六班 学 制: 4 年 专 业: 测绘工程 指导教师: 杨 杰 完成日期: 2013-04-25 目 录0 引言 .............................................................................................................(1)1 GPS 与 RTK 技术 .........................................................................................(4)1.1 GPS 概况 ..............................................................................................(1)1.2 GPS 测量特点 ........................................................................................(1)1.3 RTK 技术 .............................................................................................(5)2 线路工程测量 ..............................................................................................(5)2.1 线路测量的内容 ....................................................................................(5)2.2 线路测量的任务 .....................................................................................(6)2.3 线路测量的基本特点 ..............................................................................(6)3 利用 RTK-GPS 进行线路测量 .......................................................................(8)3.1 收集测区的控制点集料 ...........................................................................(8)3.2 求定区的转换参数 .................................................................................(8)3.3 参考站的选定和建立 ..............................................................................(8)3.4 工程项目内业设计和参数设置 .................................................................(9)3.5 野外作业 ..............................................................................................(9)3.6 数据处理成图 ......................................................................................(10)4 RTK技术精度分析 ...............................................................................(12)4.1 点放样的精度分析 ...............................................................................(12)4.2 RTK技术的优点 ...............................................................................(14)4.3 RTK技术的缺点 ...............................................................................(14)5 结论与建议 ..............................................................................................(15)参 考 文 献 ..................................................................................................(16)ABSTRACT...................................................................................................(16)第 0 页 (共 16 页)RTK-GPS在线路工程测量中的应用作 者:杨岭峰指导老师:杨 杰摘要:GPS-RTK技 术在线路等工程的测绘中有着重要的作用。该论文简单介绍了GPS 以及 RTK 技术概况和测量特点、线路工程测量的内容、任务及特点,最后着重说明了RTK 技术在线路测量中的应用,及具体工作流程。GPS-RTK 其定位精度高,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(一般为 5km),RTK 的平面精度和高程精度都能达到厘米级,且不存在误差积累,因此成了线路工程测量的一种主要方法。关键字:GPS;RTK 技术;线路工程;精度0 引言全站仪在线路工程应用中具有自动化、数字化、可编程等强大的工程,目前线路地面测量的外业工作与内业数据处理几乎都可在全站仪中完成。随着差分 GPS 技术的发展,高精度实时动态 GPS 定位技术在线路测量中的应用受到了极大的关注,GPS 测量以其定位精度高、观测速度快、小巧灵活价格低廉等优点深受广大测量工作者的青睐,GPS 定位技术的不断完善,使测绘定位技术发生了革命性的变革,为测绘工作提供了新的技术手段和方法。同时 GPS-RTK 技术发展,使常规的测角、测距、测水准为主体的地面定位技术,正在逐步被以一次行确定三维坐标的高速度、高效率、高精度的 GPS-RTK 技术所代替。1 GPS 与 RTK 技术1.1 GPS 概况GPS 系统是由 24 颗高度为两万公里的卫星组成,它们以 6 个不同的运行轨道运行,可提供全球范围从地面到 9000 公里高空之间任一载体的高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。安装在车辆上的车载单元只要能收到来自三颗卫星的定位信号,就可定出该辆车的经、纬度位置和时间信息。GPS 的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。(1)空间部分 第 1 页 (共 16 页)GPS 的空间部分是由 24 颗 GPS 工作卫星所组成.这些 GPS 工作卫星共同组成了 GPS 卫星星座,其中 21 颗为可用于导航的卫星,3 颗为活动的备用卫星。这 24 颗卫星分布在 6 个相互夹角为 60°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为 12 恒星时,即一天绕地球两周。每颗 GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的。(2)控制部分 GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地,它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。(3) 监控站与注入站监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷(Hawaii) 、阿松森群岛(Ascencion) 、迭哥伽西亚(Diego Garcia) 、卡瓦加兰(Kwajalein) ,监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛(Ascencion) 、迭哥伽西亚(Diego Garcia) 、卡瓦加兰(Kwajalein) ,注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 (4)用户部分 GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统。1.2 GPS 测量特点GPS 系统是目前在导航定位领域应用最为广泛的系统,它以高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特点著称,比其他导航定位系统具有更强的优势。用户连续提供动态目标的三维位置、三维速度及时间信息。GPS 测量主要特点如下:(1)功能多、用途广第 2 页 (共 16 页)GPS 系统不仅可以用于测量、导航,还可以用于测速、测时。测速的精度可达 0.1m/s,测时的速度可达几十毫微妙。其应用领域不断扩大。(2)定位精度高大量的实验和工程应用表明,用载波相位观测量进行静态相对定位,在小于 50km 的基线上,相对定位精度可达 1×10-6~2×10-6,而在 100~500km 的基线上可达 10-6~10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善,可望在大于1000km 的距离上,相对定位精度达到或优于 10-8。在即时动态定位(RTK)和实时差分定位(RTD)方面,定位精度可达到厘米级和分米级,能满足各种工程测量的要求。随着 GPS 定位技术及数据处理技术的发展,其精度还将进一步提高。表 1.1 GPS 实时定位、测速与测时精度采用的测距码 P 码 C/A 码 L1\L2单点定位(m) 5~10 10~15差分定位(m) 1 3~5 0.02测速(m/s) 0.1 0.3测时(ns) 100 500(3)实时定位利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,可实时保障运动载体沿预定航线运行,亦可选择最佳路线。特别是对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。(4)观测时间短目前,利用经典的静态相对定位模式,观测 20Km 以内的基线所需观测时间,对于单频接收机在 1h 左右,对于双频接收机仅需 15~20min。采用实时动态定位模式,流动站初始化观测 1~5min 后,并可随时定位,每站观测仅需几秒钟。利用 GPS 技术建立控制网,可缩短观测时间,提高作业效益。(5)观测站之间无需通视经典测量技术需要保持良好的通视条件,又要保障测量控制网的良好图形结构。而 GPS 测量只要求测站 15°以上的空间视野开阔,与卫星保持通视即可,并不需要观测站之间相互通视,因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间(一般造标费用约占总经费的 30%~50%) 。同时,也第 3 页 (共 16 页)使选点工作变得非常灵活,完全可以根据工作的需要来确定点位,可通视也使电位的选择变得更灵活,可省去经典测量中的传算点、过渡点的测量工作。不过也应指出,GPS 测量虽然不要求观测站之间相互通视,但为了方便用常规方法联测的需要,在布设 GPS 点时,应该保证至少一个方向通视。(6)操作简便GPS 测量的自动化程度很高。对于“智能型”接收机,在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取天线高、采集环境的气象数据、监视仪器的工作状态,而其他工作,如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。结束观测时,仅需关闭电源,收好接机,便完成野外数据采集任务。如果在一个测站上需要作较长时间的连续观测,还可实行无人值守的数据采集,通过网络或其他通讯方式,将所采集的观测数据传送到数据处理中心,实现全自动化的数据采集与处理。GPS 用户接收机一般重量较轻、体积较小。例如,Ashtech 单频接收机——LOCUS 最大重量1.4Kg,是天线、主机、电源组合在一起的一体机,自化程度较高,野外测量时仅“一键”开关,携带和搬运都很方便。(7)可提供全球统一的三维地心坐标经典大地测量将平面和高程采用不同方法分别施测。GPS 测量中,在精确测定观测站平面位置的同时,可以精确测量观测站的大地高程。GPS 测量的这一特点,不仅为研究大地水平面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径,同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用,提供了重要的高程数据。GPS 定位是在全球统一的 WGS—84 坐标系统中计算的,因此全球不同点的测量成果是相互关联的。(8)全球全天候作业GPS 卫星较多,且分布均匀,保证了全球地面被连续覆盖,使得在地球上任何地点、任何时候进行项观测工作,通常情况下,除雷雨天气不宜观测,一般不受天气状况的影响。因此,GPS 定位技术的发展是对经典测量技术的一次重大突破。一方面,它使经典的测量理论与方法产生了深刻的变革;另一方面,也进一步加强了测量学与其他学科之间的相互渗透,从而促进了测绘科学技术的现代化发展。第 4 页 (共 16 页)1.3 RTK 技术 RTK 技术是建立在即时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。通过 RTK 技术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应用的重大里程碑,它的出现为工程放样、地形测图,各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。 高精度的 GPS 测量必须采用载波相位观测值,RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在 RTK 作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集 GPS 观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在固定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,并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果。RTK 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK 定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机,数据量比较大,一般都要求 9600 的波特率,这在无线电上不难实现。 2 线路工程测量2.1 线路测量的内容线路工程是指长宽比很大的工程,包括铁路、公路、供水明渠、输电线路、各种用途的管道工程等。这些工程的主体一般是在地表,但也有在地下的,还有的在空中,如地铁、地下管道、架空索道和架空输电线路等。用发展的眼光看,地下工程会越来越多。在线路工程遇到障碍物时,要采取不同的工程手段来解决,如遇山打隧道,过江河峡谷架桥梁等。线路测量:是指铁路、公路、管道、输电线路、水渠、河道等线状工程在勘测设计、施工建造和运营管理三个阶段中所进行的测量工作的总称。线路测量的目的是确定线路的空间位置。第 5 页 (共 16 页)2.2 线路测量的任务在勘测设计阶段:为线路工程的各设计阶段提供充分、详细的地形资料。(地形图和断面图)在施工建造阶段:是在施工开始之前和整个施工过程中,配合施工的进度,将线路中线及其构筑物按设计文件要求的位置、形状和规格,正确地放样于地面。在运营管理阶段:检查、监测线路的运营状态,并为线路上各种构筑物维修、养护、改建、扩建提供资料。(1)收集规划设计区域各种比例尺地形图、平面图和断面图资料,收集沿线水文、地质以及控制点等有关资料。(2)根据工程要求,利用已有地形图,结合现场勘察,在中小比例尺图上确定规划路线走向,编制比较方案等初步设计。(3)根据设计方案在实地标出线路的基本定向,沿着基本走向进行控制测量,包括平面控制测量和高程控制测量。(4)结合线路工程的需要,沿着基本定向测绘带状地形图或平面图,在指定地点测绘工点地形图。测图比例尺根据不同工程的实际要求选定。 (5)根据定线设计把线路中心线上的各类点位测设到实地,称为中线测量。中线测量包括线路起止点、转折点、曲线主点和线路中心里程桩、加桩等。(6)根据工程需要测绘线路断面图和横断面图。比例尺则依据工程的实际要求确定。(7)根据线路工程的详细设计进行施工测量。工程竣工后,对照工程实体测绘竣工平面图和断面图。2.3 线路测量的基本特点(1)全线性测量工作贯穿于整个线路工程建设的各个阶段。以公路工程为例,测量工作开始于工程之初,深入于施工的具体点位,公路工程建设过程中时时处处离不开测量技术工作。(2)阶段性这种阶段性既是测量技术本身的特点,也是线路设计过程的需要。体现了阶段性,反映了实地勘察、平面设计、竖向设计与初测、定测、放样各阶段的对应关系。阶段性有测量工作反复进行的含义。第 6 页 (共 16 页)(3)渐近性线路工程从规划设计到施工、竣工经历了一个从粗到精的过程。线路工程的完美设计是逐步实现的。完美设计需要勘测与设计的完美结合,设计技术人员懂测量,测量技术人员懂设计,完美结合在线路工程建设的过程中实现。 2.4 线路测量的基本过程(1)规划选线阶段规划选线阶段是线路工程的开始阶段,一般内容包括图上选线、实地勘察和方案论证。①图上选线根据建设单位提出的工程建设基本思路,选用合适比例尺的地形图(1:5000~1:50000) ,在图上比较、选取线路方案。现实性好的地形图是规划选线的重要图件,为线路工程初步设计提供地形信息,可以依此测算线路长度、桥梁和涵洞数量、隧道长度等项目,估算选线方案的建设投资费用等。②实地勘察根据图上选线的多种方案,进行野外实地视察、踏勘、调查,进一步掌握线路沿途的实际情况,收集沿线的实际资料。特别注意以下信息:有关的控制点;沿途的工程地质情况;规划线路所经过的新建筑物及交叉位置;有关土、石建筑材料的来源。地形图的现势性往往跟不上经济建设的速度,地形图与实际地形可能存在差异。因此,实地勘察获得的实际资料是图上选线的重要补充资料。③方案论证根据图上选线和实地勘察的全部资料,结合建设单位的意见进行方案论证,经比较后确定规划线路方案。(2)线路工程的勘测阶段线路工程的勘测阶段通常分为初测和定测阶段。①初测阶段在确定的规划线路上进行勘测、设计工作。主要技术工作有:控制测量和带状地形图的测绘,为线路工程设计、施工和运营提供完整的控制基准及详细的地形信息。进行图上定线设计,在带状地形图上确定线路中线直线段及其交点位置,标明直线段连接曲线的有关参数。②定测阶段第 7 页 (共 16 页)定测阶段主要的技术工作内容是,将定线设计的公路中线(直线段及曲线)测设于实地;进行线路的纵、横断面测量,线路竖曲线设计等。③线路工程的施工放样阶段根据施工设计图纸及有关资料,在实地放样线路工程的边桩、边坡及其它的有关点位,指导施工,保证线路工程建设的顺利进行。④工程竣工运营阶段的监测线路工程竣工后,对已竣工的工程,要进行竣工验收,测绘竣工平面图和断面图,为工程运营作准备。在运营阶段,还要监测工程的运营状况,评价工程的安全性。3 利用 RTK-GPS 进行线路测量3.1 收集测区的控制点集料首先收集测区的控制点资料,包括控制点坐标、等级中央子午线、坐标系,是常规控制网还是 GPS 控制网,控制点的地形和环境是否适合作为动态 GPS 的参考站。3.2 求定区的转换参数GPS-RTK 测量实在 WGS-84 坐标系中进行的,而电力线路测量定位实在当地坐标或我国北京 54 或西安 80 坐标上进行的,这之间存在坐标转换问题。GPS静态测量中,坐标转换是在事后处理时进行的。而GPS-RTK是用于实时动态的。要求给出当地的坐标,这使得坐标转换工作显得更重要。坐标转换的必要条件是:至少3个以上的大地点分别有WGS-84 地心坐标和北京 54 坐标或西安 80 坐标,利用转换模型解求转换参数。此参数控制线路一般为 30Km 左右,一套转换参数控制一段线路,以转角为分段点。3.3 参考站的选定和建立(1)参考站应有正确的已知坐标。(2)参考站应选在地势较高,天空较为开阔,周围无高度角超过10的障碍有利于卫星信号的接受和数据链发射的位置。(3)为防止数据链丢失以及多路径效应的影响,周围无 GPS 信号反射物(大面积水域,大型建筑物) ,无高压电线、电视台、无线电发射站、微波站等干扰源。
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