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1、.GPSRTK全站仪联合在数字测图工程中的应用摘要：GPSRTK(实时动态GPS测量)技术能够实时地提供测站点厘米级的三维定位结果，速度快、精度高，但应用范围受自然条件限制。全站仪是自动化程度很高的野外测量仪器，精度高、应用广，但受通视条件、测量距离等因素制约。本文介绍了全站仪联合RTK测图的作业流程，简要阐明了其在地形测量中的应用。在利用实测数据成图的过程中，解决一些常见的问题，并给出解决的办法及依据，同时给出一些有益的结论，以适应实际使用的需要。关键词：RTK；全站仪；数字测图Abstract：GPSRTKtechniquecanprovide,inrealtime,3dimensionp
2、ositioningachievementofmeasuringstationwhichtheprecisioniscentimeterleve,litsmeasuringvelocityisquick,precisionhigh,butitsconfinedbythenaturacondition.Totalstationsurveyingisamaturetechniquewithhighaccurateandisusedwidely.Butitisconfinedbysighconditions,measuringdistance,etc.TheoperationprocessofRTK
3、electronictachometerisintroducedanditsapplicationintopographicsurveyisbrieflyillustrated.Solutionstosomeproblemsusuallyoccurinthemappingprocessusingactuallymeasureddataandsomehelpfulconclusionsaregivenforpracticaluse.Keywords：RTK;electronictachometer;digitalmapping第一章前言随着测绘科学技术的发展，传统的测图方法正逐步被不断涌现的新仪
4、器、新设备、新技术、新方法所取代。GPS-RTK(以下简称RTK)与全站仪联合进行数字化测绘地形图就是一种行之有效的新方法。随着GPS系统的不断改进，已经达到了比较满意的精度要求，可以满足常规测量的要求，尤其对于开阔的地段，直接采用RTK进行全数字野外数据采集。对于树木较多或房屋密集的地段，采用RTK测定图根点，通过全站仪采集碎部点。基于此，我们在实践中尝试利用全站仪联合RTK进行野外数据采集，然后在CASS5.0环境下进行数字化成图，结果显示该方案是可行的。全站仪联合RTK测绘地形图，可以优劣互补。如果仅用全站仪进行数字化测图，就必须建立图根控制网，这样须投入大量的时间、人力、财力；如仅用R
5、TK测图，可以省去建立图根控制这个中间环节，节省大量的时间、人力和财力，同时还可以全天侯地观测。由于卫星的截止高度角必须大于13-15，它在遇到高大建筑物或在树下时，就很难接收到卫星和无线电信号，也就无法进行测量。如果用全站仪联合RTK进行数字测图，上述弊端就可以克服。即在进行地形测量时，空旷地区的地形、地物用RTK测图；树木或房屋密集地区的建筑物、构筑物用RTK实时给出图根点的三维坐标，然后用全站仪测图。这样可以大大加快测量速度，提高工作效率。第二章GPSRTK2.1GPS简介全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空
6、三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。卫星的位置可以精确测定，在GPS观测中，我们测出卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)三个未知数。考虑到卫星时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4
7、个未知数，X,Y,Z和钟差，因此，需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而可以确定某一观测点的空间位置，精确算出该点的经纬度和高程。事实上，接收机经常可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，以便提高精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观侧，利用已知的基准站精确坐标，与GPS接收机的观测值进行比较，从而得出一个改正数，并对外发布。接
8、收机收到改正数后，与自身的观测值进行比较，加以改正计算，可以消去大部分误差，得到一个比较准确的位置数值。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段，己经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府于2000年5月1日宣布在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消了SA政策。GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由l00米提高到20米，这样进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激了GPS市场的不断
9、发展。2.2RTK简介RTK(RealTimeKinematic)实时动态测量系统，它是集计算机技术、数字通讯技术、无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统；它是GPS测量技术发展中的一个新突破。RTK定位精度高，可以全天侯作业，每个点的误差均为不累积的随机偶然误差。如：华测X90系统，外业操作十分简单，只需一人，属于真正的一人操作系统。其水平标称精度为10mm+2ppm，垂直标称精度为20mm+2ppm。能够满足地形测量的精度要求。RTK为实时动态测量技术，利用卫星发射的两个载波L1(1575.42MHZ)和L2(1227.60MHZ)，以载波相位测量为根据的实时差分测量技术。一般情况
10、下，有一个基准站和一个以上的流动站。基准站可设在已知点也可在未知点上，利用求测的WGS-84坐标和已知的地方坐标可求出坐标转换的参数，在求得转换参数后，利用基准站时时测得站点坐标信息于流动站测得的时时坐标信息，两站之间的基线向量来求出流动站的时时坐标。在后续测量中，求未知点时可直接得到地方坐标系中的坐标。在不同的RTK设备中求解的要求略有不同。2.3RTK系统的组成GPS-RTK系统由基准站、若干个流动站及无线电通讯系统三部分组成。基准站包括GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射系统、供GPS接收机和无线电台使用的电源(12伏蓄电瓶)及基准站控制器等部分。流动站由以下几个部分组成：GPS接收
11、机、GPS天线、无线电通讯接收系统、供GPS接收机和无线电使用的电源及流动站控制器等部分。用框图表示参见图2.1。图2.1RTK系统结构图2.4RTK的基本原理GPS系统包括三大部分：地面监控部分、空间卫星部分、用户接收部分，各部分均有各自独立的功能和作用，同时又相互配合形成一个有机整体系统。对于静态GPS测量系统，GPS系统需要二台或二台以上接收机进行同步观测，记录的数据用软件进行事后处理可得到两测站间的精密WGS-84坐标系统的基线向量，经过平差、坐标转换等工作，才能求得未知的三维坐标。现场无法求得结果，不具备实时性。因此，静态测量型GPS接收机很难直接应用于具体的测绘工程，特别是地形图的
12、测绘。RTK实时相对定位原理如图2.2所示：基准站把接收到的所有卫星信息(包括伪距和载波相位观测值)和基准站的一些信息(如基站坐标天线高等)都通过无线电通讯系统传递到流动站，流动站在接收卫星数据的同时也接受基准站传递的卫星数据。在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传送到控制器内并将基准站的载波观测信号与本身接受到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求得未知点的坐标。数据流程如图2.3所示。图2.2RTK实时相对定位示意图图2.3RTK数据流程2.5RTK的局限性RTK在城市测量中，一般流动站和基准站距离达不到RTK设备中所标述的最大值(一般为20KM)。城市中一般能达到500-3000M
13、，且RTK的缺点在城市测量中能够完全体现，如：多路径效应、电磁波干扰、高大建筑物对接受机视野的限制等。这些缺点给城市测量中带来了巨大的影响，使得测量无法快速进行并且定位精度也受到一定的影响。2.6RTK联合全站仪测图的优越性为能够满足城市测量的需求，以及在短时间内完成作业任务，使用全站仪与RTK联合可以满足这些需求，并且能够保持更好的精度。城市中高等级控制点距离远、不通视，普通等级点城市中破坏大、测量过程中通视不方便(车、人容易阻挡视线)。完全利用全站仪耗时间、耗人力，无法快速测量。利用RTK+全站仪的方法可以很好的解决这些问题。在测区范围内利用RTK布设控制点、在RTK不容易到达或局限性较大
14、的地方可在附近布设控制点在利用全站仪进行测量，这样可以快速完成各种测量任务切精度也可保证。第三章RTK坐标转换原理3.1GPSRTK平面坐标转换算法GPSRTK测量观测手簿软件一般采用平面转换模型求解WGS84坐标系与地方坐标系之间的转换参数。假设北京54椭球的中心和坐标轴方向与WGS84椭球相一致，可通过平面转换模型，将GPS定位得到的大地经纬度和大地高，通过以下过程转换成平面坐标：1) 由WGS-84的椭球参数，即椭球长半径和扁率，由（3.1）式将换算至空间直角坐标：（3.1）其中：为卯酉圈半径；为椭球第一偏心率的平方；a为椭球的长半轴，b为椭球的短半轴。2) 由北京54椭球的椭球参数，由
15、（3.2）式将换算至大地坐标形式：（3.2）3) 根据工程需要，确定中央子午线、投影面高程及北向东向平移量，由（3.3）式进行高斯投影，将投影为当地坐标：（3.3）以上步骤是在假定54椭球与WGS-84椭球的中心与坐标轴相同的前提下进行的，但实际中还应考虑旋转平移缩放的问题。若GPS测定的大量点中，已知部分点的平面坐标为，则可写出这些点的平面坐标与已知坐标之间的关系：（3.4）其中：为坐标平移量；为缩放尺度；为旋转矩阵，为旋转角。为求出（3.4）式中的平移、缩放尺度和旋转参数，至少需要已知两个平面点，如多于两个点，可按最小二乘法进行拟合求解。对所有的GPS测定点经过以上3个步骤及公式（3.4）
16、的计算，即可求得当地平面坐标。由于（3.4）式是一个线性变换公式，而Gauss投影变形是非线性的，因此平面转换模型只适合范围较小的测量工程项目使用。3.2GPSRTK高程转换过程由GPS相对定位的基线向量，可以得到高精度的大地高差。如果在GPS网中，已知一个点的大地高，就可以在GPS网平差后求得全网各点的大地高。大地高是以参考椭球面为基准面的，地面点大地高的定义是：由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。但是，我国通用的是正常高系统，是以似大地水准面为基准面的，参考椭球面与似大地水准面是两个不同的基准面，二者既不重合也布平行，大地高与正常高之间的差值称为高程异常。因此，在GPS测量中，在得到GPS点的大地高之后
