Trimble GPS RTK线路定线测量
技术作业指导书
编著：张志刚张冠军
铁道第三勘察设计院勘测设计分院
2004年6月天津
目录
前言RTK技术简介 (1)
1什么是GPS RTK技术 (1)
2 GPS RTK技术应用范围 (2)
3 GPS RTK的组成 (3)
4 GPS RTK的工作流程 (4)
5作业测区的确定 (5)
6 坐标系统转换参数的求解 (5)
一TSC1简介 (8)
二BASE（基准站） (11)
1 BASE硬件 (11)
2 TSC1设置基准站 (12)
三ROVER（流动站） (16)
1 ROVER硬件 (16)
2 TSC1设置流动站 (16)
3 流动站点校正 (18)
四RTK测量 (18)
1 测量点 (18)
2 放样点 (18)
3 放样道路 (22)
4 其他测量功能 (23)
5 结束测量 (23)
五GPS RTK线路定线测量 (24)
1 线路设计 (24)
1.1 TSC1线路设计 (24)
1.2 TGO Roadlink线路设计 (26)
2利用TSC进行中线测量 (32)
1.1 交点、中线控制桩测量 (32)
1.2 加中桩测量 (33)
3 数据处理 (33)
附录TSC1菜单 (36)
前言GPS RTK技术简介
1 什么是GPS RTK技术
GPS RTK技术（Real-time kinematic）是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级（±1cm+1ppm）的高精度。常规的GPS测量方法，如Static（静态）、FastStatic （快速静态）、Postprocessed kinematic（动态）测量都需要事后进行解算才能获得毫米或厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，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，极大地提高了外业作业效率。
高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时只需1epoch。流动站可以处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持五颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，流动站就可随时给出厘米级定位结果。
RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要
求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。
2 GPS RTK技术应用范围
（1）各种控制测量
传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业时不知精度如何；采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中也不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测。而采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成，而且还知道观测质量如何。如果把RTK用于公路、铁路、水利工程等各种控制测量，不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且能够大大提高工作效率。
（2）地形测图
过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用RTK时，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上几秒种，并同时输入特征编码，通
过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通地形图、铁路线路带状地形图、公路管线地形图等，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等。
（3）工程放样
工程放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样。如果采用RTK技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高。
3 GPS RTK的组成
硬件：应用RTK进行测量，至少要有两套GPS接收设备，一套用于基准站，另一套用于流动站。基准站和流动站均需要连接无线电，基准站还需连接电台。
基准站到流动站的测量范围大约为10公里。初始化需要接收机接收五颗卫星，流动站必须初始化到厘米级精度方可进行测量。
软件：RTK测量所用TSC1测量控制器安装Trimble Survery Controller
software软件，后处理有Trimble Geomatics Office软件。
4 GPS RTK的工作流程图
5作业测区的确定
将整个线路测区划分为若干个作业测区，以连续3-4对首级GPS 控制点
之间的线路段落作为一个作业测区，每个作业测区的长度不宜超过20Km 。测区划分见图1。 测区一
测区二测区三
控制点中线图1 线路测区划分示意图
6 坐标系统转换参数的求解
转换参数可根据测区控制点的两套坐标求得，有两套坐标的已知平面
点不得少于3个，高程点不得少于4个，并应包围作业测区且均匀分布（见图2）。为了保证测区间线路顺接，每一个测区中应运用三对及三对以上已知的GPS 点进行求解转换参数。 平面、高程控制点平面、高程控制点平面、高程控制点
平面、高程控制点
基准站基准站线路中线
线路中线
在测区中部任一地方设置基准站
在测区中部已知控制点上设置基准站
图2 GPS RTK求解转换参数时已知平面、高程控制点与线路测区位置分布示意图
用于求解转换参数的已知点的两套坐标为：
一套坐标为WGS84大地坐标（B，L，H）或WGS84空间坐标（X，Y ，Z）。例如：某GPS点的大地坐标（37o35′2″.31895，111o08′54″.20451，949.6049m）；空间坐标（-1826103.3930m，4720583.1243m，3869533.5576m ）。此套坐标应为高等级GPS控制测量时自由网平差得到的三维坐标成果。注意事项：在一个测区求解转换参数时所用的已知点，其WGS84坐标应为一个GPS控制网自由网平差所得的成果。
另一套坐标为中线测量时所用的坐标系坐标和高程，平面坐标有1954北京坐标系坐标、1980西安坐标系坐标、地方独立坐标及工程所设计的任意带坐标系坐标等。高程系统有1985国家高程系统、1956黄海高程系统等。注意各已知点的地方坐标系坐标、高程系统应当一致，如果不一致要进行转换后使用。
如果已知点没有WGS84坐标，可在现场采集数据并计算转换参数。现场采集数据可用静态、快速静态或动态进行，在运用动态进行采集数据时，一个测区求解转换参数所用的已知点应在同一基准站设置情况下进行。平面坐标转换应用四参数法（X平移X0、Y平移Y0、旋转角α、尺度比K ），高程转换应用拟合法，或应用七参数法（三个平移参数X0、Y0、Z0、三个旋转参数εXεYεZ、尺度参数m）求解。转换参数的求解可根据不同GPS接收机随机软件在计算机上或接收机电子手簿上进行。注意事项：在运用国家坐标系统时旋转角α的值接近0，一般在1秒以下，或者几秒，如果旋转角α比较大时，应分析查找原因。尺度比K的值接近1，其变化应在10-4，如果尺度比K变化比较大时，应分析查找原因。
例:在某客运专线定测中用Trmible GPS TGO及TSC中求解的参数:
水平平差参数
旋转中心的纵坐标4406217.660m
旋转中心的横坐标481715.575m
在中心点附近旋转0°00'00"
北平移量-.756m
东平移量-1.435m
比例因子.99999982
垂直平差参数
原点的北坐标4402703.791m
原点的东坐标485313.637m
原点的垂直差距13.423m
北斜坡 6.020ppm
东斜坡-19.943ppm
每个作业测区分别进行求解，满足限差要求后方可使用。转换参数残差限差为：平面坐标应小于±20mm，高程应小于±25mm。对于残差超限的情况要仔细核对已知数据，查找分析原因。
一TSC1简介
铁道第三勘察设计院勘测设计分院于2001年引进4套美国Trimble公司的4700双频24通道GPS接收机，主要包括4700天线、4700卫星数据接收器、TSC1测量控制器、TRIMTALKⅡ电台、电池及充电器等设备。2003年又调配进4套4800 GPS接收机。
TSC1（Trimble Survery Controller）测量控制器是Trimble公司开发研制的测量电子手簿，安装有Trimble Survery Controller software（Trimble 测量控制器软件），具有非常强的通用性，能够方便地连接Trimble公司的各种型号GPS卫星数据接收器和电子光学仪器，并具有强大的计算、绘图功能，测量、绘图、放样等操作简单直观，可以在常规测量和RTK测量之间随时切换，方便与计算机连机处理。
下图所示为TSC1测量控制器的外观。
TSC1测量控制器正、反面视图
TSC1测量控制器面板上面有数字键、字母键、功能键等按键，启动
开/关键后，控制器通过自检后显示如下菜单。
TSC1测量控制器主菜单
在RTK测量时，首先要建立一个新的任务，在这个任务里键入参数、配置仪器，同时在野外测区内选定一个基准站，并准备好电池、小钢尺、罗盘等附属部件即可开始RTK测量。
在基准站和流动站状态良好的情况下，流动站TSC1测量控制器屏幕上显示更多的信息，如下图所示。
TSC1测量控制器在RTK流动站的屏幕显示
在这种状况下，可以启动[测量]菜单，开始RTK测量，进行测量点、
放样点、放样道路等工作。
TSC1测量控制器的主要技术指标如下：
尺寸：266mm×116mm×42mm
75mm把手
重量：800g包括可充电的锂电池
电源：内置：可充电锂电池
外接：10到20V DC电池，通过串行接口
电源功耗：小于1W
内存：2MB数据存储，用户可以用工业标准的Ⅱ型PCMCIA卡扩展内存
通信：2 RS-232串口，速率可达38400 baud
键盘：54键字母数字、功能和软功能键
温度：操作：-30 to +65℃
存储：-30 to +80℃
湿度：100%全封闭，可漂浮
防水性能：防偶然淹没
防雨和防尘标准Mil Spec 810E
抗冲击：PCC B类和CE Mark认可
语言：英语，中文（简体）
TSC1测量控制器的升级产品TSCE已经问世，将逐步取代TSC1成为测量控制器的主导产品。
二BASE（基准站）
在开始RTK测量作业前，测区应该完成首级平面和高程控制测量。
RTK测量至少必须有一个基准站，基准站应选定在通天条件良好，无干扰，交通便利，点位稳固易于保护的地方。考虑到基准站的覆盖范围，基准站应该位于测区中央或设定两个以上基准站。
1 BASE硬件
RTK基准站需要的硬件设备包括：GPS天线、GPS卫星数据接收器（4800天线和数据接收器集成在一起）、TSC1测量控制器、无线电台（4700接收机用TRIMTALKⅡ电台，4800接收机用Pacific Crest）、电池、三脚架、小钢尺等。
基准站的硬件设备连接如下图示。
基准站硬件连接示意图（Trimble 4700）
基准站硬件连接示意图（Trimble 4800）
2 TSC1设置基准站
2.1选定基准站，安置仪器，正确连接硬件设备。
2.2 TSC1设置BASE（基准站）的操作步骤是：
2.2.1启动既有任务或建立新任务。
在屏幕选择[文件]—[任务管理]—按F1[新建]—输入新建任务名称，回车，再回车。—[键入参数]—[投影]，回车：
类型：横轴莫卡托投影（即高斯投影)
假北：0.000m(北偏移)
假东：500000m(东偏移，也可在500Km前加带号)
纬度原点：0°00′00.0000N（坐标起始纬度）
中央子午线：117°00′00.0000E（中央子午线经度，根据当地的实际输入）
比例因子：1.000
半长轴:6378245.000m(1954北京坐标系椭球的长半轴)
扁率:298.3(1954北京坐标系椭球的扁率)
注：以上投影参数是针对1954北京坐标系统，若是当地任意坐标系，可输入无投影，利用动态点校正或静态后处理的方法求出参数。
回车—[基准转换]—回车：
类型：三参数 (有无转换、三参数、七参数和基准网格四种类型，根据已有的资料、参数选择类型，一般选三参数或七参数。)
半长轴:6378245.000m(1954北京坐标系椭球的长半轴)
扁率:298.3(1954北京坐标系椭球的扁率)
X轴平移量：0.000m
Y轴平移量：0.000m
Z轴平移量：0.000m
以上为三参数，如选择七参数则如下显示：
类型：七参数
半长轴:6378245.000m(1954北京坐标系椭球的长半轴)
扁率:298.3(1954北京坐标系椭球的扁率)
X轴旋转量：0°00′00.0000″
Y轴旋转量：0°00′00.0000″
Z轴旋转量：0°00′00.0000″
X轴平移量：0.000m
Y轴平移量：0.000m
Z轴平移量：0.000m
比例因子：0.00000000ppm
回车—[水平平差]—回车：选择—类型：无平差
回车—[垂直平差]—回车：选择—类型：无平差
回车，按F1[确认]，新项目建立完毕，如为既有项目则：[文件]—[任务管理]—[选择任务]—[任务名称]—回车就可打开要用的任务。
2.2.2启动基准站，进行RTK测量。
进入主菜单下的[测量]菜单，如下图示。
选择测量形式示意图
选择Trimble RTK测量形式，按下F5[编辑]，选择[基准站选项]，内容如下：
测量类型：RTK
广播格式：CMR Plus
输出另外的RTCM代码：否
测站索引：2（0-29之间的整数）
高度角限制：13°00′00″（可按规范变动）
天线高度：1.654m（为实际测量值）
类型：Micro-centered L1/L2（此为4700接收机，4800接收机
基准站天线类型为4800 Internal。）
测量到：Bottom of corner（此为4700接收机，4800接收机基
准站天线测量到：Hook using 4800 tape。）
部件号码：？（仪器自动检测）
序列号：？（仪器自动检测）
回车，选择下一选项[基准站无线电]，内容如下：
类型：TRIMMARK（此为4700接收机，4800接收机基准站无线电类型为“自定的无线电设备”。）
接收机端口：端口3
波特率：38400
奇偶校验：无
使用CTS：否
回车—按F1[确认]—退到[选择测量形式]—选中[Trimble RTK] —回车—[启动基准站接收机]—回车，内容如下：
点名：（键入基准站点名称）
代码：（可不输入）
天线高度：（检查输入的基站天线高，注意所用仪器类别和量高方式。）键入基准站点名称时如果提示点名称不存在，则需输入点坐标，回车—[方法]—[键入坐标],此时按F5[选项],选对应坐标显示方法，如基站架设在已知点，选[网格]，如没有架在已知点上，选[WGS84]，回车。架在已知点上输入已知点坐标，没架在已知点上的按F3[此处](表示让GPS自己测量定位)，回车，按F1[开始]后，显示“切断控制器与接收机的连接”，按F1[确定]（此时可控制器与接收机的连接线，断开接收机和TSC1测量控制器的连接）。调整好无线电台的发射频率和发射天线高度，基准站工作完成即告完成。此时，只需一人留守在基准站，监视基准站的运行情况，流动站人员可以开始测量作业。
三ROVER（流动站）
1 ROVER硬件
GPS天线、GPS卫星数据接收器、TSC1测量控制器、电池、对中杆、背包等。
（Trimble 4700）流动站硬件连接示意图（Trimble 4800）
2 TSC1设置流动站
2.1正确连接流动站硬件设备。
2.2 TSC1设置ROVER（流动站）的操作步骤是：
2.2.1启动既有任务或建立新任务
同基准站的设置一样（如果和基准站利用的是同一TSC1测量控制器，则可直接进入下步操作。）
2.2.2启动流动站，进行RTK测量。
进入主菜单下的[测量]菜单，如下图示。
测量形式选择示意图
选择[Trimble RTK]测量形式，按下F5[编辑]，选择[流动站选项]，内容如下：
测量类型：RTK
广播格式：CMR plus
WAAS：关
INS位置：只有RTK
使用测站索引：任何
进行测站索引：否
高度角限制：13°00′00″
PDOP限制：6.0
天线高度：1.926m
类型：Micro-centered L1/L2（对4800用4800 Internal）
测量到：Bottom of corner（对4800用Hook using 4800 tape。）
部件号码：33429-0
序列号：？
回车—[流动站无线电]—回车，内容如下：
类型：Trimble Internal
波特率：38400