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一、二级导线测量中RTK的精度分析及质量控制.doc

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二级 导线 测量 RTK 精度 分析 质量 控制
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龙岩学院资源工程学院毕业论文题 目一、二级导线测量中 RTK 的精度分析及质量控制 资源工程学院一、二级导线测量中 RTK 的精度分析及质量控制【摘要】导线测量作为测绘工作中的前期准备,研究如何提高效率,并保证精度,同时降低劳动强度具有重要意义。随着测绘仪器的发展,RTK 的出现在一定程度上代替了常规导线测量。控制好 RTK 测量精度,是可以满足一般导线测量工作的。本文分析对比了 RTK 和常规导线测量方法的精度,并提出加强RTK 测量质量控制的方法,分析了 RTK 的优点和劣势。【关键字】RTK,导线测量;精度;质量控制1目录1 绪论 .......................................................................................................................................................31.1 本文研究背景 .................................................................................................................................31.2 本文主要研究内容 .........................................................................................................................31.3 本文的研究方法 .............................................................................................................................32 导线测量基本理论 ...............................................................................................................................32.1 导线测量定义 .................................................................................................................................32.2 导线布网形式 .................................................................................................................................32.3 一、二级导线测量规范 .................................................................................................................33 RTK 简介 ...............................................................................................................................................43.1 RTK 测量原理 ................................................................................................................................43.2 RTK 测量系统的组成 ....................................................................................................................43.3 RTK 定位的误差来源 ....................................................................................................................53.4 RTK 测量作业基本流程 ................................................................................................................54 一、二级导线测量精度与 RTK 测量精度对比分析 .........................................................................524.1 常规导线测量和 RTK 测量点位相对中误差的对比 ...................................................................54.1.1 点位相对中误差的计算 ..........................................................................................................54.2 RTK 测量检测方法 ........................................................................................................................74.2.1 角度校核法 ..............................................................................................................................74.2.2 长度校核法 ..............................................................................................................................95 RTK 导线测量质量控制 .....................................................................................................................105.1 扩大边长 .......................................................................................................................................105.2 建立合适的坐标系统转换 ...........................................................................................................105.3 正确选择基准站 ...........................................................................................................................105.4 限制作业半径 ...............................................................................................................................105.5 RTK 测量的优与劣 ......................................................................................................................105.5.1 RTK 技术优点 .......................................................................................................................105.5.2 RTK 不足之处 .......................................................................................................................116 小结 .....................................................................................................................................................127 致谢: .................................................................................................................................................13参考文献 .................................................................................................................................................131 绪论1.1 本文研究背景为适应城市和工矿地区测图和工程建设的需要,必须按照科学的方法,建立一定精度和密度的平面控制网。三角网、导线网则是长期以来建立平面控制网的基本形式,而导线测量作为建立平面控制网的一种形式,已得到了广泛的应用。它与三角测量相比较,具有布设灵活,推进迅速,容易克服地形障碍物等优点,在城镇地区和隐蔽地区进行加密控制测量,常常比三角测量方法更为有利。常规导线测量使用的测量仪器进行观测的元素包括导线边长和观测水平角,然后根据误差理论,进行误差的分配,最后计算出各点平面坐标。然而随着测绘科学技术的发展,传统的测绘方式正逐步被不断涌现的新仪器、新技术、新方法所取代。上个世纪 90 年代初,通信技术和信号处理技术渐变成熟,RTK 实时动态测量技术得以初步发展。实时动态测量技术,即 RTK(Real Time Kinematic) ,其测量基本思想是 GPS 相对定位理论,即将一台接收机设在基准站,另一台或几台接收机放在流动站上,同步采集相同卫星的信号,测量直观数据即为点位的三维坐标。RTK 技术的发展其技术已趋于成熟,并以其实时,高效的特点广泛应用于控制测量,地形图测量,工程测量等实际生产中,并且受到诸多测绘人士的热烈欢迎,我国许多的测绘单位都已配置 RTK 接收机。31.2 本文主要研究内容本文简单介绍了导线测量与 RTK 基本原理,RTK 系统组成,误差来源等方面,分析了RTK 在一、二级导线测量中的可行性,并提出了 RTK 质量控制方法,分析了 RTK 技术的优劣。1.3 本文的研究方法通过采用常规导线测量方法按一、二级导线规范要求测量的边长与角度,与 RTK 测量成果的反算结果进行对比分析,来评价 RTK 测量的点间精度。2 导线测量基本理论2.1 导线测量定义在地面沿着一条路线选择一系列点,在点上设置测站,采取既测边又测角的方式,来测定这些点的平面位置,称为导线测量。导线测量依测距方法不同,分为光电测距导线和钢尺量距导线。2.2 导线布网形式导线的等级选择和布网形式,主要取决于导线的用途和测区的地形、地物条件。根据不同的情况,可以布设成单一导线、环形导线网、附和导线网。按精度要求不同分为等级导线和图根导线。一般有三、四等导线与一、二级导线。2.3 一、二级导线测量规范通常来说,地形测量的精度最终是反映在相关地形图的精度上。工程测量进行分级控制,就是要求所测绘的一定比例的地形图满足设计施工的要求。在一般工程中,一、二级导线网布设为首级控制,其导线的布网形式较简单,可布设成单一导线网或者闭合环形式,不宜采用复杂网形。首级控制网精度直接影响了次级控制网的精度。按我国《城市测量规范》,其电磁波测距各等级导线主要技术规定如下:表2-1导线等级 附和导线长度/km平均边长/km 测距中误差/mm测角中误差/“全长相对闭合差三等 15 3 ±18 ±1.5 l/60000四等 10 1.6 ±18 ±2.8 l/40000一级 3.6 0.3 ±15 ±5 l/14000二级 2.4 0.2 ±15 ±8 l/10000三级 1.5 0.12 ±15 ±12 l/6000通常,三、四等导线测量需要很高精度,比较大型的项目才需要这样的等级,且需要精密仪器进行测量,一般测量仪器达不到其要求。对于一、二级导线测量,通常可用于城区、厂区等测区面积较大的平面控制测量,点位可沿交通主干线布设。43 RTK 简介3.1 RTK 测量原理以载波相位观测为根据的实时差分 GPS 测量技术。它的基本工作原理是:在选定的点(已知点和未知点均可)上安置基准站接收机,另一台放在流动站上,与基准站同步接收相同的卫星信号,并且基准站将观测值、测站坐标、卫星状态和接收机工作状态以数据链发射给流动站;流动站通过数据链接收来自基准站的数据,并对数据解调后,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,进行实时处理,利用 OTF 算法解求载波相位整周模糊度,再通过坐标转换和投影改正,给出待测点的坐标、高程。流动站可处于静止状态,也可处于流动状态。3.2 RTK 测量系统的组成一般由以下三部分组成:接收机设备、数据传输系统、测量软件系统。接收机:RTK 测量系统中至少应包含两台 GPS 接收机,其中一台安置于基准站上,基准站应设在测区内较高点上,另一台或若干台分别置于不同的用户流动站上。基准站的接收机接收 GPS 卫星信号,同时将信号连续不断地发送给给流动站。数据传输系统:即通过数据链来实现基准站与用户之间的联系。数据传输设备由无线电台和调制解调器组成的,是完成实时动态测量的关键设备。在基准站上利用调制解调器将有关数据进行编码调制,然后由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。RTK 测量的软件系统:软件系统的质量和功能,对于保障实时动态测量的可靠性及精度具有重要意义。实时动态测量软件系统通常具备下列基本功能:(1)根据相对定位原理,实时解算用户站在 WGS-84 坐标系中的三维坐标。(2)根据已知的转换参数,进行坐标系统之间的转换。(3)使用三参数,七参数等算法求解坐标系之间的转换参数。(4)解算成果的分析与评价。(5)作业模式(动态、静态等)的选择与转换。(6)测量结果的显示与绘图。3.3 RTK 定位的误差来源(1)与 GPS 卫星有关的误差:包括轨道误差,卫星钟差以及由卫星钟和接收机钟所处状态不同引起的相对钟误差。(2)与信号传播有关的误差:电离层折射误差,对流层折射误差,多路径效应,及无线电发射源、雷达装置、高压线等产生的信号干扰。(3)与接收机有关的误差:包括天线相位中心变化,接收机种差及天线安置误差,天线安置误差属于人为误差。3.4 RTK 测量作业基本流程RTK测量作业基本流程:接受项目任务— —接收测区控制资料——设置基准站——设置流动站——求解转换参数—— 实地测量。(1)根据该测区已有控制资料,确定控制网布设等级,根据项目要求,确定测量方法。(2)基准站与流动站的设置。按工程设计的相关要求,对当地高级控制点进行收集和检测,确保所需数据的准确性。在RTK定位测量的过程中,将接收机装设在基准站上,并准确设置配置参数,包括天线高,转换参数,坐标系统等的设置。5(3)求解转换参数。一般来说,每个地方采取的坐标系统不一致,大部分工程建设中都有自己的独立坐标系,这时就需要对坐标转换参数进行计算。通过已有控制点情况来调整RTK参数,计算出坐标转换参数后,设置好流动站,再按工程要求进行具体的进行测量定位。4 一、二级导线测量精度与 RTK 测量精度对比分析RTK测量原理就是通过差分GPS技术,实时解算空间位置的三维坐标。在作业模式上,其特点有灵活、机动、实时等。因此近年来,越来越多的测绘部门均引进相关的设备。在精度方面,与静态或快速静态GPS相比较,RTK解算坐标采用单一基线进行,没有形成足够可靠的闭合环或多余观测基线,所以RTK的可靠性方面受到广泛的质疑,但是经过众多的实践证明,RTK的精度达到厘米级是可以的。不过目前对RTK成果的检测还没有统一的检验方法,成果检验通常还是通过一些局部精度检验的办法来测定。本章通过讨论点位相对中误差及RTK测量常用的检测方法:测角校核法和长度校核法,并与常规导线精度的对比分析得出结论。4.1 常规导线测量和 RTK 测量点位相对中误差的对比与常规导线直观测量结果不同的是,RTK测量直观数据是三维坐标值,故其精度指标表现在坐标值中误差方面。RTK测量坐标误差不累积,不传递,在基站无线电信号的一定范围(6km) 内,精度一致均匀。也就是说,在一定范围内(假定在测区中央设置基准站),测区只需在一个控制点架设基站就可完成测区的测图任务,任何RTK测量点的精度都在厘米级。在大多数测绘项目中的仪器设备还是传统的全站仪,因此现行的规程主要针对常规测量手段(光电测距导线),对RTK的技术规定较少且趋于保守,而RTK所做,由于没有直接测量边长和角度,故需要与光电测距导线的精度转换成统一标准进行比较,本章从判定其点位相对中误差入手。根据精密导线的设计原理和导线测量的技术规定,以导线网中常见图形单一导线为例,具体的评定包括导线最弱点纵横向位置中误差及点位相对中误差。4.1.1 点位相对中误差的计算(1)单一导线点位精度估算假设布设一条常规导线,该导线为附和导线网,如图 4.1图 4.1该导线测量中,最弱点的精度计算:纵向误差: 2tsnm]10[6横向误差: )1(924nmSu则点位误差: (4-1)2ut公式中, 为导线测量的测角中误差,S 为导线平均边长,n 为导线边数。按《城市测量规范》 中对导线的精度要求,依据上面的公式计算各等级导线最弱点点位中误差如下表表4-1导线等级 导线长度/km平均边长/km测距中误差/ mm测角中误差/“最弱边长相对中误差最弱点点位中误差/mm一级 3.6 0.3 ±15 ±5 l/20000 ±36二级 2.4 0.2 ±15 ±8 l/13000 ±37三级 1.5 0.12 ±15 ±12 l/8000 ±37设图 4.1 布设的导线由 n 条边组成,那么就有 n+1 个角,假如不考虑起算方位角带来的误差,导线中第 r 条边的方位中误差为: (4-2)mnra)1(4最弱边为第 n/2 条, 则 (4-3)nma)(2为导线测量的测角中误差。m按(4-3)计算一、二、三级导线最弱边方位角中误差分别为 8“, 13“ ,22“ 。 规范要求的一、二、三级导线测距中误差为±15mm,最弱点相对中误差按下式计算 :(4-4)22)(uasSM带入相关数据,计算出一、二、三级导线中的两个最弱点的点位相对中误差分别为19mm,20mm,20mm。(2)RTK测点间的精度估算如图4.2所示,A是已知基准站点,不考虑起算误差,1、2两点是在此基准站下测得的RTK点,其特点是误差独立,不积累,精度相同。假设RTK实测点相对于A点的点位中误差均为15 mm—20mm(经验值),则1、2两个实测点间的相对中误差即根据下式计算:其中, ,121x12y设 RTK 点精度相同,纵横向精度相同,即211ymM7计算出 =±21.2mm 图 4.221211yxmM若以 RTK 实测点相对于 A 点的点位中误差为 20mm 代入,计算出 ±28mm,由此12M可见,其相邻点间的点位相对中误差为 21.2mm—28mm 之间,在一定范围内其点位相对中误差基本满足二级导线精度(20mm)要求。4.2 RTK 测量检测方法4.2.1 角度校核法下图是某城区等级导线网线路,常规手段观测了导线边长和角度并同步进行了 RTK 的观测。RTK 作业半径在 5km 范围内,对 RTK 观测的坐标值进行了反算,变换成常规手段的边长和角度,然后在此基础上进行精度的比较。导线网线路 图4.3RTK反算结果与导线观测角度比较表路线RTK 计算角度(º ' “ )常规导线(º ' “ )较差(“)RTK 计算角度(º ' “ )常规导线(º ' “ )较差(“)178 37 08 178 37 20 -12 184 38 27 184 38 31 -4181 24 58 181 24 38 20 196 28 20 192 28 41 -21180 55 19 180 55 28 -9 215 28 21 215 27 51 30176 52 20 176 52 20 0 179 57 50 179 57 53 -3176 51 26 176 51 16 10 175 49 48 175 49 43 5A163 59 30 163 59 14 16179 57 21 179 57 32 3 179 56 45 179 57 00 -15myx521818O 08 00 18O 07 55 5 l80 03 56 l8O O3 5O 6170 49 15 170 49 30 -15 18O OO 49 180 00 57 -8180 09 18 180 09 19 -1 l78 54 O3 178 54 02 118O 00 39 18O 00 28 11 177 48 40 177 48 43 -3179 57 29 179 57 34 -7 179 31 50 l79 31 51 -1B179 07 49 179 O7 54 -5213 32 51 213 32 54 -3 160 05 49 160 05 35 14C181 57 40 181 57 35 15 191 00 55 191 00 41 -26179 12 57 179 l2 32 25 l80 41 37 180 41 20 17161 42 34 161 42 42 -8 179 31 16 179 31 20 -4188 l8 37 l88 18 28 9 l74 33 14 l74 33 l7 -3178 57 50 178 57 53 -3 189 28 30 189 28 01 29D183 43 44 183 43 54 -10 163 54 25 163 54 33 -8l81 31 37 l81 31 20 17 179 51 28 179 51 36 -8177 56 45 177 57 11 11 182 13 24 182 13 24 0El77 33 14 l77 33 l7 -3 180 35 58 180 35 53 5根据白塞尔公式,假设RTK计算角度与导线测量中的角度测量是同精度观测量,=±9“nm2式中:△为角差,(“)。由表 2-1 知,该情况下,RTK 测量基本可控制在二、三级导线测量精度范围内。4.2.2 长度校核法将RTK观测值反算成统一的常规导线的直接观测值边长路线 RTK 计算边长/m常规导线边长/m边长差/mmRTK 计算边长/m常规导线边长/m边长差/mm264.275 264.279 -4 276.552 276.557 -5268.998 268.991 7 l78.007 l78.000 7261.702 261.701 1 251.651 251.665 -14228.727 228.737 -10 261.315 261.334 -19238.183 238.163 20 279.846 279.842 4A241.701 241.696 5 288.918 288.909 99279.846 279.842 4 321.195 321.200 -5306.014 306.0l7 -3 345.497 345.51l -4284.703 284.700 3 339.622 339.600 22258.292 258.303 -11 290.7l8 290.733 -15278.200 278.209 -9 288.918 288.909 9385.288 385.298 -10 313.630 313.656 -26B307.503 307.486 17 259.312 259.308 4235.035 235.009 26 241.824 241.826 -2C278.158 278.175 -18 253.050 253.043 -7240.119 240.111 8 278.200 278.209 -9250.047 250.067 -20 253.597 253.595 2285.182 285.19O -8 284.283 284.298 -5179.152 l79.121 30 249.473 249.486 -13D284.703 284.700 3 189.253 189.256 -3259.3l2 259.300 12 339.500 339.622 -22321.195 321.200 -5 258.110 258.101 9E241.744 241.739 5 199.162 199.159 3假设导线测量中的边长测量与RTK计算边长是同精度观测量,则测边中误差根据白塞尔公式,=±9mmnms2RTK测量相邻点位的边长精度可满足常规一二级导线的测边精度。5 RTK 导线测量质量控制由上文分析,RTK 测量精度不足以完全满足一、二级导线测量规范,因此根据 RTK 作业特点,采取一定的措施,使 RTK 的精度控制在一定范围内,满足一、二导线的测量工作,通常可采取以下措施。5.1 扩大边长. 若以常规导线测量相邻点间相对中误差式(4-4)计算,将RTK估算的相对点位中误差21.2mm代入,按横纵向误差相同最佳原则,,mSmas 152.Sa15若达到一、二、三级导线的最弱方位中误差,以满足作为导线对起算方位角的精度要求,根据上式可以计算出等同于一、二、三级导线的RTK边长应分别满足387 m、238 m、141 m。从以上计算可发现,RTK点间的边长相对中误差精度低于规范对常规导线的边长
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