毕业论文--浅谈RTK在线路纵横断面测量中的应用

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1、龙岩学院龙岩学院 资源工程学院毕业论文资源工程学院毕业论文 题 目： 专 业： 测绘工程 班 级： 08 测绘 学 号： 姓 名： 指导教师： 资源工程学院资源工程学院 浅谈浅谈 RTK 在线路纵横断面测量中的应用在线路纵横断面测量中的应用 【摘要摘要】：本文介绍了本文介绍了 RTK 的组成、原理以及优缺点。并简述了的组成、原理以及优缺点。并简述了 RTKRTK 测量的关键技术，通过测量的关键技术，通过 RTK 在线路纵横断面测量的方法和纵横断面测量的一般方法的对比，分析了线路纵横断面测量的精度及优缺点。在线路纵横断面测量的方法和纵横断面测量的一般方法的对比，分析了线路纵横断面测量的精度及优缺

2、点。 并且对并且对 RTK 技术在纵横断面测量的发展前景进行了简要的分析。技术在纵横断面测量的发展前景进行了简要的分析。 【关键词关键词】：RTK、线路、纵横断面、测量、线路、纵横断面、测量 目录 1 RTK 技术简介 1 1.1 RTK 系统的组成 1 1.2 RTK 技术的基本原理 1 1.3 RTK 技术的优点 1 1.4 RTK 技术的缺点 .1 2 RTK 测量的关键技术 2 2.1 整周模糊度的确定 2 2.2RTK 数据传输 .3 2.3 坐标转换参数的求定 3 2.4 实时质量监控能力 .4 3 RTK 在公路纵横断面测量中的应用及其优势 4 3.1 纵横断面测量的一般方法及要

3、求 4 3.1.1 横断面测量 4 3.1.2 纵断面测量5 3.2 采用 RTK 测量公路纵横断面的方法 5 3.3 RTK 测量的误差来源和精度分析 5 3.4 RTK 在线路纵横断面测量的发展前景6 4 结束语6 致谢6 1 1 RTK 技术简介 1.1 RTK 系统的组成 RTK 系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。它为了提高定位精 度，利用 2 台以上 GPS 接收机同时接收卫星信号，其中一台用来测定未知点的坐标（移动 站） ，另一台安置在已知坐标点上作为基准站。基准站根据该点的准确坐标求出 其他卫星 的距离改正数并将这一改正数发给移动站，移动站根据这一改正数来改正

4、其定位结果。它 能够实时地提供测站点指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。RTK 技术根据 差分方法的不同分为修正法和差分法修正法是基准站将载波相位修正值发送给流动站，以 改正其载波相位，然后求解坐标。差分法是将基准站采集的载波相位发送给流动站进行求 差，解算坐标。前者为准 RTK 技术，后者为真正的 RTK 技术。 1.2 RTK 技术的基本原理 RTK 技术实际上是一种实时动态差分 GPS 定位技术，它采用了载波相位动态实时差分 限方法。RTK 技术的原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作 为参考站对卫星进行连续观测，流动站在完成初始化后，一方面通过数据链接接

5、收来自基 准站的数据，另外自身也采集 GPS 数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，再经 过坐标转换和投影改正，历时只需几秒钟时间就可以得到厘米级的定位结果。这样用户就 可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况，根据待测点的精度指标， 确定观测时间，从而减少冗余观测，提高工作效率。 1.3 RTK 技术的优点 作业效率高。传统测量外业容易受地形、气候、季节等诸多因素的影响，使测量精度、 作业速度都受到很大限制，在能见度低，通视条件差的情况下，有些测量工作很难进行。 而 RTK 技术可以全天候作业，无论何时何地都可施测，一般不受天气状况影响。测站之间 无须通视，但测站上空必

6、须开阔，以便接收 GPS 卫星信号不受干扰。 定位精度高。GPS 不但能够达到 1：500 图根控制测量的点位和高程精度要求，而且误 差分布均匀，不具有误差积累问题，完全可以满足大比例尺测图的需求。RTK 控制测量操 作便捷，有很好的机动力，一方面可以大幅度提高作业速度，另一方面还能有效降低作业 人员的劳动强度，特别在通视困难的地区更具有明显的优势，为了获得高精度的测量数据， 必须求出适合于本地区的坐标系转换参数和水准面模型转换参数。根据四等及其以下各级 控制测量与 1：500 图根控制测量对于精度要求的相似性以及原有 GPS 点的检测结果，可以 说明 RTK 同样适用于四等及其以下的各级控制

7、测量。 综合测绘能力强，作业集成度高。可以胜任各种测量内外业工作，减少测量工作流程。 基准站能够为不同用户提供多项信息输出，在作业时，无需人工干预就可以进行整周未知 数的动态初始化解算，使辅助测量工作大大减少，作业精度也可以得到自动控制和记录。 同时 RTK 技术打破了分级布网，逐级控制的原则，简化控制测量繁锁的工作，一个测区可 一次性整体布网，整体平差，控制网可以是任意混合，所需控制点数目比传统白纸测图大 大减少。 作业人员少，定位速度快，综合效益高。GPS 接收机只需一个人操作，在待测点等待 的时间只需几秒就可得到该点的坐标数据，外业效率非常高。内业成图时自动进行分幅和 接边，便于计算处理

8、，节省了时间和人力。 2 1.4 RTK 技术的缺点 受卫星状况限制。受到技术的限制，GPS 卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足 当前测量作业的需要，世界上有些国家在某一段时间段不能很好的被卫星覆盖。例如在中、 低纬度地区每天总有两次盲区，盲区时卫星几何图形结构强度低，RTK 测量很难得到固定 解。同时由于信号强度弱，在对空遮挡比较严重的地方 GPS 无法正常应用。 天空环境（电离层）影响。白天中午某段时间，受电离层干扰大，公用卫星数少，因 而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行相应的测量作业。由以往的经验告诉我们， 每天中午 12-13 点，RTK 测量很难得到固定解。数据链传输受干

9、扰和限制、作业半径比标 称距离小的问题。数据链电台信号在传输过程中容易受外界环境的影响，如高大山体、建 筑物和各种高频信号源的干扰，在传输的过程中衰减下来，严重影响外业精度和作业半径。 因此，我们摆设基准站时常常选择地域开阔的地方，而在建筑物密集的城镇，我们经常很 难得到精确的外业数据。另外，当 RTK 作业半径超过一定距离时，测量结果误差超限，所 以 RTK 的实际作业有效半径比其标称半径要小。 受高程异常问题影响。RTK 作业模式要求高程的转换必须精确，但是我国现有的高程 异常分布图在有些地区，尤其是山区，存在较大误差，在有些地区还是空白的，这就使 GPS 大地高程转换至海拔高程的工作变得

10、比较困难，精度也不是很高很均匀。 2 RTK 测量的关键技术 2.1 整周模糊度的确定 目前, 存在多种求解整周模糊度的方法, 按观测过程中 GPS 接收机所处的状态来分, 可分为动态法和静态法, 但这些方法求解模糊度的时间较长, 在进行动态使用时往往不能 满足实时要求。本文采用一种利用低阶卡尔曼滤波器进行动态快速模糊度求解方法, 可实 现对模糊度的动态、实时求解。实践表明, 该方法简单易行、计算量少、快速准确, 适合 整周模糊度的快速动态求解。 利用 GPS 双差载波相位测量时, 其数学模型 式中,DD 为双差载波相位, G 为由天线到卫星的方向矢量线性组合矩阵,Ra为基线矢量, N0 为初

11、始整周模糊度,G 为观测噪声, 在不考虑多路径误差时, 其标准差为 0. 0019m。 对公式( 2-1) 作以下线性变换, 令= null(T), 则T=0 即T= 0 在公式( 2-1) 两边同时乘以 AT, 得 令=T , = T, 则式( 2-2) 为 由公式( 2-3) 可见观测方程中只含有N0 为未知量, 因此取N0 为状态量, 其状态方 程为 0 = 0 (2- 4） 利用式( 2-3) 、( 2-4) 可以组成 Kalman 滤波器 该 Kalman 滤波方程不含有位置和基线等状态信息, 因此可大大降低 Kalman 滤波阶次, 3 有效提高运算速度, 加速模糊度的求解过程;

12、另外由于 Kalman 滤波器是对动态线性系统的 无偏最小方差估计, 适合于在动态情况下对整周模糊度进行在线估计, 所以利用该方法可 以实现对模糊度的动态求解。 2.2RTK 数据传输 RTK 通讯主要采用 UHF 波，传播的方式主要是空间波，即直射波、折射波、散射波以 及它们的合成波。这些传播方式穿透性强，直线传播性能好，但容易受地形、障碍物和地 球曲率的影响当使用 9600 波特率来传送数据时，每发送一组数据大约要占用 0.8 秒左右的 时间。因此基准站通常每秒传送一组 RTK 改正数据。理想传送的距离为： D=4.24（h1+h2） （2-5） 式（2-5）中，为数据链所覆盖范围的半径

13、，以 km 为单位：h1和 h2分别为基准站 和流动站的天线高，以 m 为单位式（5）是指在无障碍物遮挡和无电波干拢的理想状态下的 覆盖范围，实际上只是一个大概的数据，与实际情况多少会有一点差距。 为了增强通讯能力，在进行 RTK 测量时，可采用以下的方法：把 RTK 基准站布设在 RTK 有效测区中央最高的控制点上；另一方面提高基准站和移动站天线的架设高度；同时 是增益天线及高灵敏度接收机，并尽量缩短各移动点与基准站的距离，使其能满足“电磁 波通视”如在地形地物遮挡时，可增设中继站等。 2.3 坐标转换参数的求定 RTK 流动站在实现实时提供用户坐标成果的一个重要环节是 WGS-84 大地坐

14、标系到地方 坐标系的转换参数问题。坐标转换参数的确定误差是 RTK 作业的主要误差源之一。选择先 进的坐标转换的模型, 求得高精度的转换参数至关重要, 是获取高精度成果的基础。利用转 换参数才能将 WGS-84 坐标转换成工程项目所在坐标系的坐标, 因此坐标转换参数的确定 是 RTK 技术投入实际使用的关键。求解转换参数, 常用方法为七参数法( 三个平移参数 X、Y、Z 三个旋转参数 X、Y、Z，一个尺度比参数 m) , 而坐标转换的精度取决于 已知参考点与待测点的几何关系。转换参数一般是利用重合点的 2 套坐标值通过一定的数 学模型进行计算。当重合点的个数为 3 个以上时, 经常采用 BUR

15、SA-WOLF 模型进行转换。 BURSA-WOLF 坐标转换公式为: 式中，X、Y、Z为待求的空间大地直角坐标系坐标；X、Y、Z 为原空间大地直角坐标 系坐标; X、Y、Z 为两个坐标系统原点之间的平移参数; m 为两个坐标系统原点之间 的尺度比参数; X、Y、Z为旋转参数(欧勒角)。 当测量精度要求不高时, 常略去尺度比 m、转换参数 X、Y、Z, 可得到简化 BURSA- WOLF 模型: 式(2- 7) 中有 3 个平移参数, 当有 1 个重合点时就可进行 2 中坐标系的坐标转换。当 有 2 个重合点时, 可选择其中一个为原点, 对( 2-6) 式变形得: 式( 2-8) 中 Xi、Yi、Zi为空间大地直角坐标系坐标;X0、Y0、Z0为空间大地直角坐标 4 系原点坐标 X、Y、Z 为 WGS-84 坐标系下任意点与原点的基线向量。如忽略尺度比参数, 则 公式(2-8) 可简化为: + （2-9） = 0 0 0 + X0 Y0 Z0 转换模型(2- 9) 消除了坐标平移参数, 略去了尺度比, 仅保留 3 个旋转参数, 有 2 个 重合点即可进行两种坐标系的坐标转换。 简化的 BURSA-WOLF 公式( 2-7) 、( 2-9) 具有形式简单、参数少、转换参数解算简便 等优点。两个坐标系有 1 或 2 个重合点, 即可求出转换参数, 进行坐标转换。 2.4 实