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浅谈GPSRTK技术在公路工程放样中的应用.doc

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浅谈 GPSRTK 技术 公路工程 中的 应用
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目: 浅谈 GPS RTK 技术在公路工程放样中的应用资源工程学院浅谈 GPS RTK 技术在公路工程放样中的应用【摘要】本文主要阐述 GPS 定位技术的测量原理、RTK 技术原理及 GPS RTK 组成部分和 GPS-RTK 作业流程,重点介绍 GPS-RTK 技术在公路放样的应用,例如,全站仪配合 RTK 测量、公路曲线放样的工作、公路桩位放样工作、原理及精度分析,结合经济效益分析来说明 GPS-RTK 技术在工程测量中有着不可代替的作用,最后总结对 GPS-RTK 在现代测量技术的体会。【关键词】GPS;RTK;公路放样;曲线放样 目录1.绪论 .................................................................................11.1 研究背景 ..........................................................................11.2 研究现状 ..........................................................................11.3 研究意义 ..........................................................................12.GPS 测量原理 ..........................................................................12.1 GPS 的组成部分 ....................................................................12.2 GPS 定位的基本原理 ................................................................12.3 GPS 定位技术相对于常规测量技术的特点 ..............................................22.3.1 观测站之间无需通视 ............................................................22.3.2 定位精度高 ....................................................................22.3.3 观测时间短 ....................................................................22.3.4 动态测量技术高效 ..............................................................22.3.5 全天候作业 ....................................................................32.4 RTK 工作原理 ......................................................................33.GPS RTK 的作业方法和作业流程 ..........................................................33.1 RTK 常规测量的原理及流程 ..........................................................33.2 RTK 实地放样操作方法 ..............................................................34.RTK 公路工程放样实例分析 ..............................................................34.1 全站仪配合 RTK 放样方法 ............................................................34.2 RTK 公路曲线主点放样方法 ..........................................................44.3 RTK 公路曲线放样实例 ..............................................................45.GPS RTK 测量精度分析 ..................................................................75.1 GPS 测量误差分类及改正 ............................................................75.2 GPS RTK 在放样过程中应注意事项 ....................................................85.3 线路中桩的全站仪放样与 RTK 放样点位精度对比 ........................................86.GPS RTK 放样的经济效益及作用 ..........................................................87.结论 .................................................................................9致谢语 ................................................................................10参考文献 ..............................................................................11英文翻译 ..............................................................................1211.绪论1.1 研究背景全球定位系统(global positioning system)简称 GPS,是美国国防于 1994 年研发的卫星导航系统,卫星数目 24 颗(3 颗备用),可满足全球任何地方或近地空间测量、导航、测速、测时及授时,持续实时为用户提供空间坐标、且操作简易,使得 GPS 广泛地应用于生活的各个领域。1.2 研究现状近年来,RTK 测量技术的出现,使得 GPS 在测量行业的发展得到了飞跃,它可以实时的处理现在测量的大量观测数据、实地的进行质量检核,然后根据处理结果决定是否返测,相比于传统的测量技术的事后处理数据,效率十分明显,在野外测量中使用 RTK 测量可以达到厘米级,而且利用 RTK 测量,可以减少冗余观测时间,实地显示用户的三维坐标及精度,为工程放样带来了新的技术。1.3 研究意义目前,GPS RTK 技术已经遍及测量工程的所有领域,研究如何应用 GPS RTK 技术原理进行实地路线放样,可克服传统放样耗时间、耗经费的缺点,现 RTK 已普遍用于公路放样,工作者只需在手簿设置该公路的直线、点、缓曲、圆曲的参数及当地坐标系统等参数就可在实地上标定出相应的位置。经过反复测量的结果,全站仪放样点位精度与 RTK 放样的点位精度进行比较,充分证明RTK 测量精度的有效性和可靠性,因此,研究 GPS RTK 公路测设,将为未来工程建设带来相当可观的经济效益。2.GPS 测量原理2.1 GPS 的组成部分GPS 定位系统由三部分组成,即 GPS 卫星(空间部分)、地面监控系统(地面监控部分)和 GPS接收机(用户部分),各组成部分功能可以简单理解为下表 2-1:表 2-1 GPS 组成部分及功能GPS 系统组成部分 各部分功能空间星座部分1.24 颗卫星提供星历和时间信息;2.发射伪距和载波信号;3.提供其他辅助信息地面监控部分1.中心控制系统;2.实现时间同步;3.跟踪卫星进行定轨用户设备部分1.接收并观测卫星信号;2.记录和处理数据3.提供导航定位信息2.2 GPS 定位的基本原理首先,GPS 卫星可视为飞行的动态已知点,其发射的三种信号分量分别为载波、测距码和数据码,利用其载波较高精度的特点,将低频信号加载到高频率的载波上,在 WGS-84 坐标系中,确定2GPS 卫星到地面用户接收机天线相位中心的位置,在这过程中需要采取措施消除、减弱卫星传播中的误差,从而利用观测方向和观测距离参数,精确计算出用户接收机的所在区域。以空中飞行的三颗卫星定位为例:卫星 1、卫星 2、卫星 3.分别位于空中不同位置,用户部分GPS 接收机同时接受卫星 1、卫星 2、卫星 3 所发出的信号,计算三颗卫星分别与观测位置之间的距离,将卫星的瞬间位置的坐标转换成为卫星在地固坐标系下的(Xs,Ys,Zs),利用公式(2-1)确定用户位置:(2-1)222)()()( rsrsrs ZYXr 则(Xr,Yr, Zr)为用户位置,ρ 为站星间的距离。其基本定位原理如下图 2-1:图 2-1 卫星基本定位流程图2.3 GPS 定位技术相对于常规测量技术的特点2.3.1 观测站之间无需通视传统测量仪器进行测量时需要观测站之间互相通视,观测距离有限而且在建筑物多的地区容易受到建筑物阻扰视线,因而需要分段测量和建造觇标,使用 GPS 观测,选点工作灵活,不用特意绕过障碍物,或破坏障碍物,可以显著提高效率和减少经费支出(一般觇标费用约占总经费的 30%到 50%),经济效益明显,但是在上区,或者高耸楼层,大树容易干扰卫星信号的强度,对于卫星空间结构差,容易造成卫星失锁,严重影响作业进行,所以使用 GPS 观测仪器应保持广阔的净空。2.3.2 定位精度高RTK 可以进行的基本工作条件下,也就是 50km 的基线范围内,其相对定位精度可达厘米级,而且基线越长则精度会更高,并且误差不会进行累积,但在应特别注意高程异常分布的地区,误差较大,3精度出现不均匀分布,但随着 RTK 自动化、高集成的发展,其精度的将越来越精确,目前在多于 1000公里的基线上,精度有更好的突破。2.3.3 观测时间短典型的静态定位方法,就是以三台 RTK 接收机同时观测,其中测量任意一条基线花费的观测时间约为一小时到三小时,由于测量过程中的复杂问题,在保障观测时间观测精度的前提下,可利用短基线(小于 20km)进行相对定位,在 10 到 20 分钟就能完成基本定位。而动态定位,解决了传统搬站摆站作业效率极低的缺点,在点位校正以后,每点可以单人操作,放样时间每点为 1 到 2 秒。2.3.4 动态测量技术高效由于集成化程度高的特点,流动站接收机内置多种测绘处理功能的专业软件,单人操作手簿,就能快速测量放样出设计点,其自动化技术的提高,比较传统摆放点点位中误差,在减少人为因素影响上,提高作业精度及其效率。2.3.5 全天候作业卫星发射的电磁波信号,只要保持接收机天线不受空中阻碍影响,天上 20 多颗卫星全天候绕地球旋转,所以在任何时间段,至少能接收到 4 颗卫星的信号,对平台传输的 SIM 和 GPRS 信号是 24 小时不间断的,定位设备 24 小时通电所以能够全天候工作,这是相对于经典测量技术的重大突破。3.GPS RTK 的作业原理和流程3.1 RTK 常规测量的原理及流程常规的 RTK 工作一般设有基准站和移动站,选择空间不受任何干扰的卫星信号位置,设置基准站GPS 接收机,并对其进行相关设置,确保基准站能长期,无干扰的接收卫星信号,进而设置移动站,使得相对独立的接收机形成一个有机的整体。移动站负责将自身接收的卫星信号与接收基准站发送的载波信号进行差分处理,求得 GPS 坐标与实用坐标系间的转换参数,在误差允许的范围内,进行设计点点位校正,若精度可靠,即可继续测量其他未知点,其工作流程可以归纳以下几点:(1)工作小组携带相关仪器设备,查阅控制点已知资料,进入测区,将移动站接收机摆放于已知控制点上,严格对中整平仪器,进行移动站初始化。(2)在控制测区内,选择至少 3 个公共点,将 WGS-84 坐标系转化成本地坐标系,以南方 RTK 为例,只需在手簿输入该控制点的点位信息,将仪器摆放在控制点上,对中整平,进行点位校正,系统就会进行坐标系转换,将 WGS-84 坐标系转换成当地的坐标系统。接收机可以将当地的 WGS84 坐标转化为本地坐标的到当地的三维坐标。(3)进行野外作业时,先手簿上进行七参数设置,4 个转换参数,三个平移参数,(七参数Δχ,Δy,Δz,α,β,γ,m),本地中央子午线,量取天线高,其余参数的系统会自动设置好,在不费力费时的前提下,组中单人手持 GPS 接收机就可以快速测得工程所需点的坐标,完成作业。(4)选择合理的作业流程,避免在植被、高楼等建筑物对天不通视的地区,还有城镇发达地区干扰卫星信号传播的前提下进行 RTK 作业,利用相应辅助软件和常规 GPS 作业方法有机结合的特点,提高 GPS RTK 作业生产效率,以及发挥全站仪与 RTK 配合测量技术,进行测设。3.2 RTK 实地放样操作方法传统公路放样有很多种方法,RTK 进行公路放样具有多功能,常规 RTK 放样,首先,要选择适宜地方设置基准站和移动站,在已知点进行点位校正,才能进行放样。在进行线路放样时,以平面坐标放样为例,在坐标转换后,即可输入放样点的点号或者坐标信息,然后根据相应的提示界面,进行解算,工作者就可以根据导航图,手持 RTK 天线,按照导航图指导的距离和角度,快速找到设计点的位置,标记所放样点,当在测量时突现 RTK 失锁,可在前一点进行初始化,即可重新进行放样。4.RTK 公路工程放样实例分析44.1 全站仪配合 RTK 放样方法采用 RTK 放样方法,虽然具有放样点位的坐标的时间短,和无通视的环境下,可以无视障碍物进行点位放样,放样精度高、节省工作人员等优点,但是在现实工程建设中,很难避免在测量区域内对天通视,例如,高楼、茂密林地很容易影响接收机接收卫星信号,这些情况容易使 RTK 失锁,严重影响观测成果精度的要求,在此情况下,工程建筑一般采用全站仪来观测。因此,全站仪配合 RTK 放样可避免同一地区测量结果精度受损问题,有效提高工程作业的效率要求,使得工程得到完善。例如下图 4-1 所示,A 点受到林荫遮挡,无法对天通视,此时 RTK 放样精度达不到要求,而 B、C两点为平原地带,无树荫遮挡,这时可以先用 RTK 放样出点 B、C 的三维坐标,让 B、C 点作为已知控制点,在 B 点处,摆放全站仪,对中整平,C 点作为后视点,进行后视点定向,再根据全站仪提示的走向,移动棱镜,即可放样出 A 点。图 4-1 全站仪配合 RTK 放样4.2 RTK 公路曲线主点放样方法公路曲线测设:图 4-2 测设曲线图(1)图 4-2 带有缓和曲线的曲线测设,圆曲线的半径为 R,两端缓和曲线长均为 L0,曲线的转向角为α,式中 T、L、E、Q 的意义同圆曲线 R、 L0、α 一起,为曲线综合要素。M 为切垂距,P 为圆曲线内移植,β0 为缓和曲线的切线角。5曲线综合要素计算及主点测设:LTqRPElmT2sec)(2180tan)(0带有缓和曲线的圆曲线,其主点为直缓点(ZH)、缓圆点(HY)、曲中点(QZ)、圆缓点(YH)和缓直点(HZ),再根据曲线主点测设资料 T、L、E,与单圆曲线主点测设一样,用 RTK 实地定出ZH、HY、QZ、YH 和 HZ 各点坐标。4.3 RTK 公路曲线放样实例测区概况:以某条公路曲线为例,曲线转角 α=23 003’37.7”、圆曲线半径 R=1000m、缓和曲线长 L0=100m、路线前进的偏向(又偏为 1)、JD 的里程为 1462.918m。计算得到曲线综合要素为:切线长 T=254.083m、曲线长 L=502.481m、外矢距 E=210022m、切曲差2T-L=5.684m。计算得到各主点里程为:ZH=1208.835m、HY=1308.835m、QZ=1460.075m、YH=1611.316m、HZ=1711.316m。设计坐标为:ZH(84678.761,12221.766),JD(84753.510,11978.927)和设站导线点坐标(84618.761,12271.765)、后视导线点坐标(84707.070,11902.864)及边桩距 d=20m。计算出中桩及左右边桩的设计坐标和极坐标放样元素,下图表为曲线坐标及放样数据:表 4-1 各桩位坐标及放样数据设计坐标 放样数据里程 桩位X/m Y/m 水平角(。’”)水平距离/m左边桩 84627.627 12319.900 156 06 03 48.945中桩 84646.742 12325.784 139 09 14 60.8361100右边桩 84665.857 12331.668 128 21 46 76.200左边桩 84671.918 12176.411 15 40 33 109.170中桩 84690.982 12182.456 25 29 57 114.8561250右边桩 84710.047 12188.502 34 10 09 123.555左边桩 84726.669 12034.046 10 57 09 261.064中桩 84744.766 12042.561 15 20 15 261.5571400右边桩 84762.863 12051.076 19 40 51 263.570左边桩 84862.627 11819.261 14 51 32 514.034中桩 84878.150 11831.873 17 03 50 510.6741650右边桩 84893.672 11844.484 19 17 41 508.080左边桩 84959.330 11704.105 17 29 58 661.986中桩 84974.613 11717.006 19 12 57 659.0811800右边桩 84989.895 11729.907 20 56 46 656.773可以南方 RTK 为例,进行公路曲线放样和线路设计。首先进入南方 RTK 手簿的(工程之星),如6下图 4-3,分别有工程、设置、测量、工具和关于等菜单,先进行线路设计,点击所有菜单,分别查找与公路设计相关的的选项,设置道路要素,坐标系统及参数,先进行已知点点位校正:图 4-3 道路要素设置选项图其次,进行新建线路,重新编辑路名、起点里程、间隔、文件路径等后点击新建按钮,如下图 4-4:图 4-4 线路设计最后进行线路参数输入,分别为点、直线、圆曲、缓曲四种参数,如下图 4-5:7图 4-5 曲线要素输入图根据手簿中的坐标数据,选择所需放样的点,即可进行放样。5.GPS RTK 测量精度分析5.1 GPS 测量误差分类及改正用户是通过接收天上卫星发射的信号来确定所在位置的坐标,所以首先 GPS 测量误差来源应先考虑 GPS 卫星本身的误差,由于卫星在运行过程中受到多种摄动力的影响,在星历预报时有较大的误差,严重影响到单点定位的精度,削弱卫星星历误差,可以利用用户自己建立的 GPS 卫星跟踪网进行独立测轨,国内已有 VLBI/SLR 站作为基础研究的档案,或者采用轨道改进法,将星历预报给出的星历参数进行平差模型处理,求得接收机位置坐标,和接收时的轨道偏差改正数。其次,在用户接收到卫星信号的过程中,卫星信号受到转播路径各种介质的影响,信号到达用户接收机的过程中,通过影响程度较大的大气电离层和对流层,使得 GPS 信号传播速度和信号传播路径产生变化和弯曲,使得载波相位和测量伪距产生误差,这时可以利用双频观测量和建立电离层改正模型或用两台接收机在基线两端进行同步观测,使得载波相位与测量伪距得到有效的处理,还可以选择有利的观测时间段,在大气中离子影响较弱的时刻进行观测,提高测量精度。改正多路径效应误差有效的方法可分为两大类:(1)于适宜地区建立观测站,保持对天通视,不受发达城区电磁波影响的地方进行设站。(2)在接收机天线设置抑径板或使用有极化特性较强抑制信号反射作用的材料安置在接收机上。通过查阅有关精密 GPS 测量误差,在地球学动力研究的过程中,我们可以引用相应距离误差来描述各种误差来源对传播中卫星信号的影响程度,如下表 5-1 为 GPS 测量误差分类及对距离的影响:表 5-1 GPS 测量误差分类对距离的影响项目 误差来源 对距离测量的影响/m卫星部分 星历误差;钟误差;相对论效应 1.5 至 15信号传播 电离层;对流层;多路径效应 1.5 至 15信号接收 钟的误差;位置误差;天线相位中心变化 1.5 至 5
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