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1、第一章 绪论1.1 概述GPS 定位在测量中有很大的应用潜力。近年来,GPS 接收机的小型化、小功耗给其应用于测量提供了有利的条件。在软件方面,GPS 的基线解算、平差也有了很大的发展,这些都促使 GPS 在测量中得到了较为广泛的应用。尤其近几年,动态 GPS(RTK)的出现,使测量工程缩短了工期,降低了成本,减少了人员的投入,这些方面充分体现了 GPS 技术较常规技术的优越性。尽管动态 GPS(RTK)的出现,使观测时间缩短,人员投入减少,并且不受网形和通视等条件的影响,提高了工作效率。但是,动态 GPS(RTK)测量没有静态 GPS测量的同步环、异步环及附合线路等约束条件,它是以基准站为中
2、心呈放射状,以支点形式分布的散点,从而无法直接衡量其观测精度。因此,作为新生事物的动态 GPS(RTK)测量在实际生产中的精度成为测量界关注的重点。为了探求动态 GPS(RTK)测量的精度,我分析和研究了动态 GPS(RTK)测量的各种资料及其观测方法,同时对其进行了实测对比和研究。通过一系列的研究,对动态 GPS(RTK)测量的精度有了一定的认识,进一步提高了观测精度和工作效率。1.2 RTK 技术的应用现状现阶段的 RTK 技术主要应用包括以下几个方面，很多的应用都属于尝试性的，有待于更进一步的研究探讨1.2.1 施工放样自从 GPS 差分定位技术出现以后，就有了针对施工放样的测量方法。G
3、PS实时动态差分测量的实时性正是针对施工放样而设计的，RTK 技术是实时动态差分测量的进一步发展，它的服务对象仍然是工程施工放样。RTK 技术的出现，使得 GPS 测量的应用领域进一步拓宽。近年来，RTK 测量在道路施工中的应用越来越广，不仅用于道路中线及边线的施工放样，同时还用于挖填土方的测量，并且取得了良好的效果。在各类管线放样施工中，RTK 技术也表现出其绝对优势，如在国家重点工程“西气东输”工程中，RTK 测量表现出了无与伦比的优越性；在环渤海石油开发中，海底电缆及石油天然气输送管线的铺设也都采用了 RTK 放样方法。在送变电线路放样及城市供水管道施工放样中的应用也已经取得了良好的效果
4、。1.2.2 实时导航定位GPS 最初的应用是飞机、船舶的导航，随着实时定位技术的不断发展，定位精度逐步提高，其应用范围也不断扩大。目前主要为航空摄影测量、水底地形测量提供导航定位服务，在航空摄影测量中，RTK 技术为摄影载体确定瞬时位置信息，而在水底地形测量中，主要是结合测深设备如数字测深仪、多波束水下测量超声仪、声纳多普勒定位仪等，间接测量水底某点位置。1.2.3 图根控制点布设各类研究报告显示，RTK 测量精度与常规测量的 I 级导线、IV 等水准相当，可以满足各类测量的图根控制精度要求。GPS-RTK 测量以其精度高、实时性强的特点在各行业的测量工作中与常规方法结合得到了迅速的推广。由
5、于 RTK 测量可以实时提供坐标，无须进行室内计算，可以即测即用，各点之间不用通视，误差不积累等特点，深受广大测绘工作者喜爱。具体做法是在待测碎部点附近较为开阔并且与碎部点通视的地方，以 RTK方法测定两个以上控制点，在其中的仟意点上架设全站仪，测量碎部点的坐标位置。这种方法便捷迅速，精度可靠，己得到广泛应用。1.2.4 碎步点测量由于 GPS 测量自身的局限性，一直制约着其在碎布点测量中的应用特别是在城区等对 GPS 信号遮挡严重的地方。但在一般地区，已经显示出 RTK 地形地籍图测绘的明显优势，对于比较低矮的建筑及其它一些地形特征点可以直接立杆测定，特别是在地籍测绘中，土地界址权属的测量划
6、分，已经得到各界人士充分地肯定。由于 RTK 测量的误差都是相对于参考站产生的，独立的两个 RTK 之间没有误差传播，RTK 测量己经达到厘米级精度，但两点之间的方位精度远没有常规测量方法精度高，对于精度要求较高的测量来说还不太实用。1.2.5 变形监测作为一种新方法，近几年国内外许多学者开展了卓有成效的 GPS 动态实验与测试工作，将 GPS 测量技术应用于变形检测。在早期的试验中，一般都采用了后处理差分方法实现的，例如，加拿大卡尔加里塔在受风载作用下的结构动态变形测量、深圳帝王大厦 GPS 风载振动测量、武汉长江二桥 GPS 动态监测试验等。随着 GPS-RTK 技术的发展， RTK 技术
7、也逐步应用于桥梁及大型构筑物的变形监测。英国利用 GPS-RTK 技术对位于亨伯河口的亨伯大桥进行了动态监测工作，监测大桥中央位置在桥的各轴线方向的位移以及桥塔在东南、西北和垂直方向上的位移。日本明石的凯约大桥也安装了先进的监测系统，保证交通安全和结构的稳固性。第二章 RTK 技术的原理及特点2.1 RTK 的测量原理RTK 是根据 GPS 的相对定位概念，将一台接收机放在已知点上（称为基准站） ，另一台或几台接收机放在新点上（称为移动站） ，同步采集相同卫星的信号，见图 1。将这些观测值进行差分，可削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，实时定位精度能大大提高。RTK 采用载波相位观测值
8、，能直接导出卫星和天线之间的总波长数，并能解算模糊值。在通常的 GPS 测量中，需要将两点之间的观测值进行后处理才能求出总波长数和模糊值。在 RTK 中，基准站的观测值是通过无线电数据链播发给移动站进行数据的实时处理。由于近年来研究出实时解算模糊值的算法（简称为“途中”解算，或称为 OTF） ，使 RTK 成为可能。这些求模糊值的算法能在接收机运动过程中解算模糊值。实时解算模糊值比后处理解算模糊值更难、更复杂。因为只能利用几个历元的数据快速解算模糊值。目前，在正常条件下，用 RTK 解算模糊值只需要 1060 s 的观测值。一旦求出模糊值时，即可开始 RTK 测量。当卫星失锁，或至基地站的数据
9、链中断时，此模糊值即已失效。此时，必须重新求定模糊值。但是，这一点在实际应用中不是大问题。因为多数观测者在各点之间迁站都是步行，即使卫星失锁或数据链的信号中断，在步行途中，RTK 系统也能自动进行模糊值初始化。图 2.1 RTK 测量原理Fig2.1 RTK principle2.2 RTK 技术的系统组成2.2.1 基准站基准站设置在坐标为已知的参考点上，见图 2.2。GPS 天线安置在参考点的上方。GPS 接收机连续采集数据，并通过无线电数据链或 GSM 电话播发给移动站。接收机基准站电台电池内置 GSM参考点电频图 2.2 基准站Fig2.2 Base stationGPS 使用的频率为
10、 400450 MHz，基准站发射功率为 235 w，移动台功率为 0.52.0 w。由于此频段的信号是直线传播，绕射性能很差，故要求两点之间准光学通视。为了扩大信号传播距离可采取两种办法：一是使用信号放大器，二是另设中继站。通过无线电播发的数据，多采用 RTCM SC-104 格式。由于 RTCM 格式的效率低，故多数 GPS 接收机厂商都采用自己的数据格式播发数据。如果有很多用户在同一测区工作时，可设立 RTK 的常设基地站。常设基地站可承担下列任务：连续采集数据，存储原始数据，计算 RTCM 改正，为用户实时或事后提供数据，监测卫星状况，向用户预告各种干扰。目前，国际上已有少数城市建立了
11、这种常设基准站。2.2.2 移动站各点之间迁站时采用步行方式的 RTK，其移动站配置见图 3。移动站接收机的天线多数都置于测杆顶部，观测者将测杆放在点上，此测杆应有水准气泡，以使接收机天线严格位于点上方。最新的移动站接收机已实现一体化，即接收机、天线、显示器和电池四大部分融为一体。用户界面多数采用掌式计算机（称为控制器） ，它既可手持，又能固定在测杆上。观测者利用控制器既可察看RTK 系统的状况（即星数，模糊值固定状况，坐标质量） ，又能存储坐标及其它信息。接收机内置电池操作手簿GSM图 2.3 移动站Fig2.3 Moving station2.2.3 RTK 网近年来，国际上已有少数城市建
12、立了 RTK 网，RTK 网是由几个常设基站组成。可借助用户周围的几个常设基地站实时算出移动站的坐标。当使用 RTK 网代替一个基地站时，算出的移动站坐标将更可靠。各常设站之间的距离可达100 km。本文只讨论目前通用的一个基地站的 RTK 测量。第三章 RTK 测量的精度和可靠性分析3.1 RTK 测量的精度的影响因素3.1.1 GPS 系统的影响GPS 系统本身有其固有因素，用户无法控制，但必须考虑这些因素。(1)星数在 OTF 解算未知的模糊值时，至少需要有 5 个共同星。星数越多，解算模糊值的速度越快、越可靠。一旦求出模糊值，则基地站和移动站至少需要有 4个星即能求出移动站的坐标。截止
13、高度角低于 15o 时，共同星数将增加。但是，由此将使采集的数据含有较差的信噪比。这将使解算模糊值的时间延长。然而，为了完成测量，有时也采用较低的截止高度角，也能获得足够的共同星数。研究表明，星数增加太多对提高 RTK 点位的精度没有显著提高。但是，观测更多的卫星时，将提高所测成果的可靠性。(2)卫星图形卫星图形将影响最后成果的质量。当卫星均匀分布在整个天空时，成果将更好。可用星数越多，卫星图形就会更好。目前，卫星分布的优劣常用PDO（P 点位精度衰减因子）值来衡量。PDOP 值小则好，PDOP 值大则差。在RTK 中，PDOP 值不宜大于 6。(3)大气状况卫星信号到达 GPS 接收机之前，
14、要穿过对流层和电离层，两者均影响信号传播。在正常条件下，当点间距离较短时，对流层和电离层的影响能够模拟，其残差可通过观测值的差分处理，予以削弱或消除。然而，电离层的电子含量将随时间和空间发生剧烈变化。因此，卫星信号到达基地站和移动站时将有不同的影响；而且，基线越长时，此影响越严重。电离层剧烈活动期，将导致周跳或失锁，即使短基线也需要大大延长观测时间才能固定模糊值；或者，根本不能固定模糊值。特别是在太阳黑子爆发时，这是一个严重问题。(4)基线长度RTK 测量的基线长度同轨道误差和大气影响密切相关。基线越长，电离层和对流层的误差越大，所测结果的误差也越大。据研究：轨道误差、电离层误差和对流层误差对
15、所测结果的影响，分别为（0.10.5）10-6D、 （0.150）10-6D 和（ 0.13）10-6 D。基线越长，所测结果的精度越差。多数厂家给出的距离因子，平面为 110-6 D，高程为 210-6 D。因此，就 10km 基线而言，在很好的环境下，平面为 1 cm 的误差，高程为 2cm 的误差。实测结果也与此相符。基线更长时，数据链信号变得更弱，从而需要更长的初始化时间，而且解算结果也不可靠。3.1.2 RTK 系统“工欲善其事，必先利其器” 。各种 RTK 系统都会影响所测结果的质量。RTK 设备的优劣不仅严重影响精度，而且也影响成果的可靠性。这里包含有两类问题：在结果中如何发现误
16、差？出现可疑的坏结果时，RTK 系统能否发出警告？现将评价 RTK 系统的主要因子简述如下。(1)数据链目前大多数 RTK 都采用自备无线电数据链，但也有少数厂家开始采用GSM 电话，两者都将影响观测值。两种数据链各有其优缺点。无线电数据链的优点是：移动站的数量没有限制，购买到收、发电台后，就没有其它费用。但无线电信号传播的距离受到地形、地物的制约。而且，由于各种干扰将引起很多麻烦。弱信号或受干扰的信号将使解算模糊值和保持模糊值不变增加很多困难。用 GSM 电话建立数据链的优点是，数据链的质量同距离无关。这也有危险，因为距离越长，所求坐标精度将越低。另一优点是，环境及基地站至移动站之间的障碍物对 GSM 数据链没有影响。GSM 数据链的缺点是：用户要承受电话费；同一个基地站连接的用户数量受到限制；完全受 GSM 覆盖范围的制约。将无线电和 GSM 相结合，也能进行 RTK。可能时，采用无线电数据链。当移动站位于无线电信号之外时，则用 GSM 建立基地站和移动站之间的联系。(2)
