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浅谈GPS-RTK技术在工程放样中应用.doc

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浅谈 GPSRTK 技术 工程 放样中 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 技术在工程放样中应用 资源工程学院龙岩学院毕业论文开题报告2011 年 4 月 6号论文(设计)题目:浅谈 GPS-RTK 技术在工程放样中应用姓名 年级 08 级 所在院系 资源工程学院专业 测绘工程 指导教师开展本课题的意义及工作内容:1、 随着科学技术的快速发展,GPS 技术不断有新的突破,GPS-RTK 技术是GPS 技术新的应用分支。是 GPS 应用发展的重大里程碑,GPS-RTK 技术以其高效率,高精度,全天候自动化实时观测的优点实现了测量内外业一体化,使地形测图、工程放样、控制测量变得更简单化,极大地提高了外业作业效率。目前GPS-RTK 技术应用非常广泛。但是 GPS-RTK 技术精度还是没有全站仪观测精度高,精度方面还有待提高,并且本身还存在一些不足。为了保证 GPS-RTK 技术的测量成果在进行测量时要进行质量控制。2、工作内容主要介绍 GPS 发展及 GPS 系统组成与原理;介绍了实时动态测量 GPS-RTK 系统,测量原理和工作模式。通过 GPS-RTK 技术在工程放样应用实例进行精度分析。与全站仪放样对比阐述 GPS-RTK 技术的优缺点。总体安排及进度:4月05日—4月13日 整理相关资料,为论文做准备,确定指导老师,完成开题报告4月14日—4月20日 对已作开题报告修改,在老师的指导下修改、确定题目4月21日—5月04日 资料分析整理,数据分析,并做论文提纲,开始着手论文写作5月05日—5月20日 完成论文初稿,上交给指导老师5月21日—5月30日 整稿,完成论文正稿,论文提交和答辩准备课题预期达到的效果:在本次论文的编写中,通过老师的指导,资料和数据的收集及整理,及对 GPS-RTK 技术的基本原理和技术特点的阐述,说明它在工程放样应用中的优势,极大地提高了外业作业效率;同样随着 GPS-RTK 技术的不断发展,它的应用前景将非常广阔。指导教师意见:签名:浅谈 GPS-RTK技术在工程放样中应用【摘要】:随着科学技术的快速发展, GPS 技术不断有新的突破,GPS-RTK 技术是 GPS 技术新的应用分支。是 GPS 应用发展的重大里程碑,GPS-RTK 技术以其高效率,高精度,全天候自动化实时观测的优点实现了测量内外业一体化,使地形测图、工程放样、控制测量变得更简单化,极大地提高了外业作业效率。目前 GPS-RTK 技术应用非常广泛。但是 GPS-RTK 技术精度还是没有全站仪观测精度高,精度方面还有待提高,并且本身还存在一些不足。为了保证 GPS-RTK 技术的测量成果在进行测量时要进行质量控制。本文主要介绍 GPS 发展及 GPS 系统组成与原理;介绍了实时动态测量 GPS-RTK 系统,测量原理和工作模式。通过 GPS-RTK 技术在工程放样应用实例进行精度分析。与全站仪放样对比阐述 GPS-RTK 技术的优缺点。【关键词】:全球定位系统(GPS) ;GPS-RTK 技术;工程放样;质量控制;目录1 前言 .................................................................................................................................................12.GPS 系统组成及定位原理 ...........................................................................................................13.GPS-RTK 技术简介 ......................................................................................................................23.1GPS-RTK 测量系统组成 ....................................................................................................23.2GPS-RTK 测量的基本原理 ................................................................................................24.GPS-RTK 的误差来源及减弱措施 ...............................................................................................34.1 仪器和干扰有关的误差 .....................................................................................................34.2 同距离有关的误差 .............................................................................................................34.3 人为因素的误差 .................................................................................................................35.GPS-RTK 测量成果的质量控制 ..................................................................................................35.1 快速静态比较法 .................................................................................................................35.2 重测比较法 .........................................................................................................................35.3 穿线比较法 .........................................................................................................................35.4 电台变频法 .........................................................................................................................36.GPS-RTK 技术的优点与缺点 ......................................................................................................46.1GPS-RTK 技术的缺点 ........................................................................................................46.2 GPS-RTK 技术的缺点 .......................................................................................................47.GPS-RTK 放样与全站仪放样的对比 ..........................................................................................48.GPS-RTK 技术在工程放样中的应用 ..........................................................................................58.1 工程放样实例分析 ..............................................................................................................58.1.1 测区概况 .................................................................................................................58.1.2 GPS-RTK 放样作业步骤 ......................................................................................68.2 GPS-RTK 放样的精度分析 .................................................................................................78.3 工程放样应用结论 .............................................................................................................89.GPS-RTK 技术展望与结论 .............................................................................................................810.致谢语 ..........................................................................................................................................911.参考文献 ....................................................................................................................................1011前言GPS(全球定位系统)是英文 Global Positioning System 的简称。GPS 系统的前身是1958 年美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit) ,1964 年正式投入使用。该 系 统 用5 到 6 颗 卫 星 组 成 的 卫 星 网 工 作 , 每 天 最 多 只 能 绕 地 球 13 次 , 并 且 无 法 给 出 高 度 信息 , 定 位 精 度 方 面 低 。 所 以 为了满足军事部门和民用部门对连续实时定位和导航的需要,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统 GPS。GPS 系统具有全球、全天候、实时与高精度等优点,它在现代化战争中具有举足轻重的地位。为了保护自身的利益,美国在 1991 年 7 月开始采用 SA(Selective Avalability)技术降低实时定位精度,从而使民间在工程测量上几乎没有可用价值。随着 2000 年 5 月,美国宣布取消 SA 政策后,GPS 系统的应用又进入了一个快速发展时期。 GPS 技术在航空、军事、测绘、国土等部门都得到广泛应用。卫星导航定位系统在世界范围内得到了快速的发展,除却美国的 GPS 系统,还有俄罗斯的 GLONASS 系统,欧洲的 Galileo 系统和我国自主研发的北斗系统。北斗系统由 30 多颗卫星构成,预计到 2015 年形成覆盖全球的卫星导航定位系统,实现不需要通过地面中心站联系和传输信号的无源定位。随着全球定位系统(GPS)技术的快速发展, GPS-RTK 技术也日益成熟,GPS-RTK测量技术逐步在测绘中得到应用。早期 GPS 测量一般都需要观测 1~2h 或是更长的时间。无论是静态、快速静态、准动态以及动态的作业模式都需要事后进行数据处理,不能实时定位并知道定位精度,通过内业处理后发现精度不合要求必须返工测量。GPS-RTK 测量技术的出现有效地解决了该问题,GPS-RTK 技术进行测量不要求点间通视,仅需一人操作,即可完成测量工作。GPS-RTK 技术进行测量既能实时得到定位结果,又能实时知道定位精度。应用 GPS-RTK 技术进行实时定位可以达到厘米级的精度。如此一来大大提高作业效率,又能满足测量的精度要求。GPS-RTK 技术是 GPS 的最新成果,它弥补了 GPS 技术原有的不足,不仅具有 GPS 原有的全天候、高精度、无须光学通视的优点,而且还可以为测量提供实时的定位结果,GPS-RTK 技术的产生是 GPS 应用的拓展,是测量技术的一次重大突破,是测量史上的又一次变革。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。随着科技的发展,为保证更高的精度要求 GPS-RTK 技术将得到进一步的发展。GPS-RTK 技术将会广泛地应用在各个方面。2.GPS 系统组成及定位原理GPS 系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备三部分组成,如图 2-1 所示:图 2-1 GPS 系统组成2GPS 定位的基本原理是以 GPS 卫星与用户接收机天线之间的距离观测量为基准,根据卫星瞬时坐标作为已知的起算数据,采用空间距离交会的方法,确定待测点的位置。3.GPS-RTK 技术简介实时动态(Real Time Kinematic,RTK)测量系统,是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。GPS-RTK技术是根据载波相位观测量的为依据的时差分GPS测量技术。它拥有厘米级定位精度并且实时地提供测站点三维坐标,是GPS测量技术发展中的一个新突破。它在测绘、交通、城市建设等领域应用前景广阔3.1GPS-RTK 测量系统组成GPS-RTK 系统主要由 GPS 接收机、数据传输系统及软件系统三部分组成。(1)GPS 接收机:GPS-RTK 测量系统中至少应包含 2 台 GPS 接收机,其中一台安置于已知坐标点上作为基准站,另一台或若干台分别置于不同的用户流动站上。基准站应设在测区内观测条件良好的较高点上。(2)数据传输系统:数据传输系统简称数据链是为了实现基准站同用户流动站之间的联系。数据传输设备由调制解调器和无线电台组成。首先在基准站上利用调制解调器编码调制有关数据,然后经无线电发射台发射出去。在用户站上利用无线电接收机将其接收下来,再由解调器将数据还原,并送给用户流动站上的 GPS 接收机。数据传输设备是完成实时动态测量的关键设备之一。(3)RTK 测量的软件系统:实时动态测量软件系统具备整周未知数的快速解算、实时解算用户站在 WGS-84 坐标系中的三维坐标、进行坐标系统的转换、求解坐标系之间的转换参数、解算结果的质量分析与评价、作业模式的选择与转换、测量结果的显示与绘图的基本功能。软件系统的功能和质量,保障了实时动态测量的可行性、测量结果的可靠性及精度。3.2GPS-RTK 测量的基本原理GPS-RTK 的基本原理是在基准站上安置一台接收机,对所以可见的 GPS 卫星进行连续观测,另一台或几台接收 机置于载体(称为流动站)上。基准站所获得的观测数据通过无线电传输设备,实时的发送给流动站。流动站上的接收机在接收卫星信号的同时,通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。原理如图 3-13图 3-1 GPS-RTK 测量的原理图4.GPS-RTK 的误差来源及减弱措施GPS-RTK 的误差来源一般分为同仪器和干扰有关的误差、同距离有关的误差和人为因素的误差。4.1仪器和干扰有关的误差该误差来源包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素。同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱,如进行天线检验校正、选择地形开阔、不具反射面的点位,远离无线电发射源、雷达装置、高压线等干扰源。4.2同距离有关的误差同距离有关的误差来源分为轨道误差、电离层误差和对流层误差。减弱措施可通过多基准站技术来消除。利用两个以上观测站同步观测量求差。4.3人为因素的误差人为因素的误差是由于测量员感官的鉴别能力有限,操作过程中会产生误差。测量员的技术水平和工作态度也会影响观测数据的质量。5.GPS-RTK 测量成果的质量控制GPS-RTK 测量在数据链传输过程中受外界无线电信号和多路径因素等影响所以它确定整周模糊度的可靠性为 95~99%。因此和 GPS 静态测量相比,GPS-RTK 测量更容易出错,必须要进行质量控制。GPS-RTK 质量控制方法可分为快速静态比较法、重测比较法、穿线比较法和电台变频法。5.1快速静态比较法由于静态测量的精度和可靠度要高于动态测量,在关键的重要部位,采用快速静态测量做事后处理检查。采用 GPS-RTK 技术迸行观测的同时,对 GPS-RTK 点再做一次快速静态观测,事后对这些 GPS-RTK 点的测量值和快速静态测量值进行比较分析,从而检查 GPS-RTK 成果是否有质量问题。45.2重测比较法每次重新初始化成功后;先重测附近已测过的 GPS-RTK 点 l-3 个,并现场比较其成果,从而判断这次的初始化是否正确可靠。确认初始化没有问题以后,才迸行新的 GPS-RTK 观测。5.3穿线比较法GPS-RTK 作业基本完成后,重新布测一条 GPS-RTK 测量链,对整个作业测区的 GPS-RTK成果进行质量控制。新布测的这条 GPS-RTK 测量链穿过整个测区。返过来比较这条测量链的 GPS-RTK 成果,来判断该测区内全部的 GPS-RTK 测量链是否存在质量问题。5.4电台变频法设置两个基准站,每个基准站采用不同的频率发送改正数据,流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据从而得到两个算结果,比较这些结果就可判断 GPS-RTK 成果质量是否有问题。6.GPS-RTK 技术的优点与缺点6.1GPS-RTK 技术的优点(1)GPS-RTK 作业自动化、集成化程高。用户接收机电子手簿内置专业软件可自动实现多种测绘功能,,减少人为因素误差,保证了作业精度。(2)定位精度高,不存在误差积累。在一定的作业半径范围内,GPS-RTK 的平面精度和高程精度都能达到厘米级,能满足 GPS-RTK 的工作基本要求且不存在误差积累。(3)全天候作业。RTK 技术不要求两点间光学通视,只要满足电磁波通视和对空通视的要求即可进行作业。因为受限因素少,可实现全天候作业。(4)GPS-RTK 作业效率高。高性能的 GPS-RTK 设备在设站一次即就能观测 5km 半径的测区,减少了传统测量仪器在放样测量中的“搬站”次数,且仅需一人操作,每个放样点只需要停留 1~2 秒,就可以完成作业。作业速度快,劳动强度低,省时又省力,大大提高外业作业效率。6.2 GPS-RTK 技术的缺点(1)卫星状况限制。目前 GPS 卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前的需要,不同国家同在一确定的时间段卫星覆盖不相同。同时卫星信号强度较弱,对空遮挡比较严重的地方,GPS 无法正常应用(2)电离层影响。白天中午受电离层干扰大且共用卫星数少,初始化时间长甚至不能进行初始化,无法得打固定解,难于进行 GPS-RTK 测量。(3)数据链电台传输距离影响。数据链电台信号在传输过程中易受各种高频信号源的干扰。信号在传输过程中衰减严重,影响外业精度和作业半径。当 GPS-RTK 作业半径超过一定距离时,测量结果误差超限。 (4)对空通视环境影响。GPS-RTK 不适合在山区、林区、城镇密楼区等地作业,这些地点会导致 GPS 卫星信号被阻挡,卫星空间结构差,容易造成失锁。而且出现问题后进行重新初始化困难,严重影响作业效率。(5)高程异常问题影响。我国现有的高程分布异常,在某些地区尤其是山区,存在较大误差,精度也不均匀,GPS 大地高程转换至海拔高程的工作非常困难,严重影响 GPS-RTK5的高程测量精度(6)GPS-RTK 测量的可靠度不是 100%。GPS-RTK 确定整周模糊度的可靠性为 95~99%,容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况等影响。综上所述的 GPS-RTK 技术的优点与缺点,GPS-RTK 技术有着常规仪器所不能比拟的优点,不仅能达到较高的定位精度,还大大提高测量的工作效率。然而的 GPS-RTK 技术也存在着一些缺点,针对这些缺点,我们可以采取一些措施来弥补这些不足。例如我们可以事先弄懂仪器特性,适宜的选择基准站的位置,合理的选择作业的流程与时间。7.GPS-RTK 放样与全站仪放样的对比全站仪与 GPS-RTK 在工程放样有着广泛的应用,都起着很重要的作用。随着 GPS 技术的发展,GPS-RTK 测量精度不断提高,完全能满足工程放样的精度要求。它的出现弥补了全站仪在工程放样中的不足。它以其高精度定位、自动化程度高,作业效率高全天候作业的优势在工程放样中深受测量员的亲睐。GPS-RTK 放样与全站仪放样的对比如下表 7-1表 7-1 GPS-RTK 放样与全站仪放样的对比通过上面的表格分析,利用全站仪放样与利用 GPS-RTK 放样的精度都能够满足实际工程的需求。GPS-RTK 技术在工程放样方面有着全站仪无法比拟的优势,但是全站仪在小范围工程放样测量精度更高(一般情况下可达毫米级) ,并且 GPS-RTK 也存在着一些不足, 并不能完全替代全站仪等常规仪器。在影响 卫星信号接收的遮蔽地带,可在附近用流动站及时做出两个控制点,再利用全站仪进行极坐标法放样,以弥补 GPS-RTK 的不足。因此在实际放样过程中,我们可以根据现场的实际情况采用何种仪器联合进行放样,提高了工程放样的效率。8.GPS-RTK 技术在工程放样中的应用工程放样是工程测量一个应用分支,通过一定方法采用一定仪器把人为预先设计好的点位在实地给标定出来的一项测量工作。常规的放样方法很多;有传统的经纬仪的交会放6样,全站仪的边角放样和坐标放样法等。采用传统放样方法时,为了放样出一个设计点位往往需要来回移动目标,而且要 2 到 3 人配合操作,同时对放样环境的要求也很苛刻点位间通视要良好,天气情况要好。然而 GPS-RTK 技术的出现使工程放样有了突破性的发展, 它不但克服了传统放样法和坐标放样法的缺点, 而且具有观测时间短, 精度高、无须通视、现场给出精确坐标等优点。GPS-RTK 技术放样只要把设计好的点位坐标输入到电子手簿中,只需一人背着 GPS 接收机就可以进行放样。电子手簿会提示放样点的位置,操作迅速又简单。GPS-RTK 技术通过坐标来直接放样,而且放样精度均匀又高,极大程度的提高外业放样中效率。8.1 工程放样实例分析下面我们以 GPS-RTK 在南平市西芹镇跃村的工程放样中的应用为例进行分析8.1.1测区概况测区西芹镇跃村位于福建中部,地处东经 118°20′,北纬 26°35′,隶属福建省南平市延平区。测区大部分为山地、田地和杂草荒地,小部分为平坦的土地。地势高低不平,植被较多,通视条件差,用传统方法开展放样工作很难,因此采用 GPS-RTK 技术放样。8.1.2 GPS-RTK 放样作业步骤(1)测前准备:获取 2~3 个控制点的坐标(如果没有已知数据可用静态 GPS 先进行控制测量) ,解算或用相关软件求出放样点的坐标,检查仪器是否能正常使用。(2)基准站的架设:将基准站架设在较空旷的地方(附近无高大建筑物或高压电线等)架设完后安装电台,连接好仪器后开启基准站主机,打开电台并设置频率。(3)基准站设置:打开电子手簿,设置坐标系统参数。然后手簿连接基准站 GPS 接收机对基准站进行设置。(4)移动站参数设置:打开电子手簿,开启移动站主机,待卫星信号稳定并达到 5 颗以上卫星时,先连接蓝牙,连接成功后设置相关参数:项目名称、椭球系名称、投影参数设置、参数设置,最后确定(5)放样点录入:在新建的项目依次输入待放样点的坐标和已有的控制点坐标。(6)测量点校正:通过已有控制点求校正参数。通过几个已知控制点进行检测,检测结果符合要求后,即可进行放样。(7)点放样:选择测量选点放样,进入放样屏幕,点击增加按钮,选择从列表中选择,在列表中选择待放样点并输入天线高然后点开始进行放样。这时候可以根据电子手簿箭头提示来找到放样点的位置,当接收机接近放样点位置时会发出“滴滴”的提示,直到箭头提示变成圆圈,目标点变成十字丝。然后按测量按钮,测量得到所要放样点的实测坐标与设计坐标的差值。检验是否满足要求。过程如图 8-1, 8-2, 8-3 和 8-4。
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