探讨GPS—RTK在公路测量中的应用

探讨GPS—RTK在公路测量中的应用

摘要:随着全球定位系统(GPS)技术的快速发展,RTK测量技术也日益成熟,RTK测量技术逐步在测绘中得到广泛的应用。RTK测量技术因其精度高、实时性和高效性,在城市测绘中的应用越来越广泛,只要能保持4～5颗以上卫星相位观测值的跟踪,就能得到应有的成果。本文就RTK在公路测量中的应用进行探讨。

关键词:GPS—RTK;原理:精度:公路测量

引言

GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成, 除此之外,

测量用户当然还应有卫星接收设备。该系统从1973年开始研究.到1993年完成全部工作卫星组网工作。该系统由24颗卫星组成,卫星分布在相隔600的6个轨道面上.轨道倾角550卫星高度20200km,卫星运行周期1lh58m,这样在地球上任何地点、任何时间都可接收至少4颗卫星运行定位.从而可以实现全天候三维导航定位。由于GPS具有实时提供三维坐标的能力.因此在民用、商业、科学研究上也得到了广泛应用。它不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力.而且具有良好的抗干扰性和保密性。从静态定位到快速定位、动态定位,GPS技术已广泛应用于测绘工作中

1 RTK技术的基本原理、RTK系统的组成及工作条件

1.1 RTK技术的基本原理

RTK(Real Time Kmematic)技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术,是GPS测位技术。它是利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号.其中一台安置在已知坐标点上作为基准站。另一台用来测定未知点的坐标——称移动站.基准站根据该点的准确坐标求出其到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其定位结果.从而大大提高定位精度。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。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站.改正移动站的接受到的载波相位.再解求坐标:差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站,进行求差解算坐标。RTK的关键技术主要是初始整周模糊度的快速解算、数据链的优质完成一实现高波特率数据传输的高可靠性和强抗干扰性。RTK工作原理及模式如下图所示。

1.2 RTK系统的基本组成

RTK系统主要由三大部分组成:1、基准站接收机2、数据链3、移动站接收机。

1.3 RTK系统的工作条件

RTK系统正常工作要具备以下三个条件:第一, 基准站和移动站同时接收到5颗以上GPS卫量技术发展里程中的一个标志.是一种高效的定星信号;第二,基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准站发出的差分信号;第三,基准站和移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号。即移动站迁站过程中不能关机,不能失锁。否则RTK须重新初始化。

2 RTK测量的精度及误差

2.1 RTK测量的精度

RTK测量采用求差法降低了载波相位测量改正后的的残余误差及接收机钟差和卫星改正后的残余误差等因素的影响,使测量精度达到厘米级,一般系统标称精度为lOmm+2×l0-6。工程实践和研究均证明RTK测量能达到厘米级精度。

2.2 RTK测量的误差

RTK定位的误差,一般分为两类:同仪器和 干扰有关的误差:包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素;同距离有关的误差:包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。对固定基准站而言,同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱,同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大.所以RTK的有效作业半径是有限制的(一般为几公里)。同距离有关的误差的主要部分可通过多基准站技术来消除。但是其残余部分也随着移动站至基准站距离的增加而加大。

2.2.1 同仪器和干扰有关的误差

天线相位中心变化天线的机械中心和电子相位中心一般不重合。而且电子相位中心是变化的.它取决于接收信号的频率、方位角和高度角。天线相位中心的变化,可使点位坐标的误差一般达到3-5cm。因此,若要提高RTK测量的定位精度,必须进行天线检验校正。多路径误差多路径误差是RTK测量中最严重的误差,其大小取决于天线周围的环境,一般为几厘米,高反射环境下可超过10cm。多路径误差可通过选择地形开阔、不具反射面的点位、采用具有削弱多径误差的各种技术的天线、基准站附近铺设吸收电波的材料等措施予以削弱。信号干扰信号干扰可能有多种原因,如无线电发射源、雷达装置、高压线等,干扰的强度取决于频率、发射台功率和至干扰源的距离。

2.2.2 同距离有关的误差

轨道误差目前轨道误差只有几米,其残余的相对误差影响约为1×10-6,就短基线(

层的电子密度密切相关,电离层的电子密度随太阳黑子活动状况、地理位置、季节变化、昼夜不同而变化,白天为夜问的5倍,冬季为夏季的5倍,太阳黑子活动最强时为最弱时的4倍。利用下列方法可使电离层误差得到有效的消除和削弱:利用双频接收机将Ll和L2的观测值进行线性组合来消除电离层的影响;利用两个以上观测站同步观测量求差(短基线);利用电离层模型加以改正。实际上RTK技术一般都考虑了上述因素和办法。但在太阳黑子爆发期内,不但RTK测量无法进行。即使静态GPS测量也会受到严重影响。太阳黑子平静期.其误差一般小于5×10-6 。对流层误差对流层误差同点间距离和点问高差密切相关,一般可达3×l0-6。

3 RTK技术在公路测量中的应用

3.1 RTK技术在控制测量中的应用

GPS静态测量很早就已经应用于公路测量中的控制测量。有研究表明,GPS

RTK测量的同一点位相对于静态GPS观测点基本上是一致的,其坐标差值较小;而对于常规仪器观测的一、二级导线来说有些相差稍大,这也可能是常规控制测量的误差积累所引起。由此可见,RTK技术可用于常规的控制测量.它将对传统的逐级布网理论予以更新。

3.2 RTK技术在中线测量中的应用

RTK测量技术用于公路测量中的道路中线放样可大大提高工作效率。采用RTK技术,放样工作可由一人完成。将线路参数如线路起终点坐标、曲线转角、半径等输入RTK的外业控制器即可放样,放样方法灵活,即可按照桩号放样,也可按照坐标放样,并可以随时互换。放样时屏幕上有箭头指示偏移量和偏移方位.便于前后左右移动,直到误差小于设定时的为止。所有中桩数据(桩号、高程、坐标)都可以文本文件的形式提供给设计人员使用。

3.3 RTK技术的优点

3.3.1 工作效率高。在一般的地形地势下,高质量的RTK设站一次即可测完4km半径的测区.大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数,移动站一人操作即可.劳动强度低,作业速度快,提高了工作效率。

3.3.2 定位精度高。只要满足RTK的基本工作条件,在一定的作业半径范围内(一般为4km),RTK的平面精度和高程精度都能达到cm级。

3.3.3 全天候作业。RTK测量不要求基准站、移动站问光学通视,只要求满足“电磁波通视”。因此和传统测量相比,RTK测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小,在传统测量看来难于开展作业的地区,只要满足RTK的基本工作条件.它也能进行快速的高精度定位,使测量工作变得更容易更轻松。

3.3.4 RTK测量自动化、集成化程度高,数据处理能力强。RTK可进行多种测

量内、外业工作。移动站利用软件控制系统,无需人工干预便可自动实现多种测绘功能.减少了辅助测量工作和人为误差,保证了作业精度。

3.3.5 操作简单.易于使用。现在的仪器一般都提供中文菜单,只要在设站时进行简单的设置,就可方便地获得三维坐标。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强,能方便地与计算机、其他测量仪器通信。

4 RTK测量中的一些注意问题及其局限性

4.1 RTK测量成果的质量控制

研究表明.RTK确定整周模糊度的可靠性最高为95%, RTK比静态GPS还多出一些误差因素.如数据链传输误差等。因此和GPS静态测量相比,RTK测量更容易出错,必须进行质量控制。质量控制的方法主要有以下几种:第一已知点检核比较法.即在布测控制网时用静态GPS或全站仪多测出一些控制点,然后用RTK测出这些控制点的坐标进行比较检核.发现问题即采取措施改正;第二重测比较法,即每次初始化成功后,先重测1—2个已测过的RTK点或高精度控制点.确认无误后才进行RTK测量:第三电台变频实时检测法,即在测区内建立两个以上基准站.每个基准站采用不同的频率发送改正数据.流动站用变频开关选择性地分别接收每个基准站的改正数据从而得到两个以上解算结果,比较这些结果就可判断其质量高低。

4.2 RTK测量作业时的一些注意问题

4.2.1 使用范围:GPS RTK是厘米级精度动态实时差分测量,其精度一般对于起算点在±2—±3cm,测点精度都和起算点发生关系.相互之间无任何关联;测点间关联性差,难以满足常规测量要求高级控制点位间精度要求,因此在实际使用时我们要具体问题具体分析。

4.2.2 数据100%正确:测量讲的就是精确,不能有一点错误,现在使用的仪器提供的技术指标初始化99.9%置信度(可靠性),也就是说有0.1%的不确定性。GPS

RTK与传统测量的最大区别就是缺少符合性的校核,为消除0.1%错误可能性,作业中对同一测点需进行两次相互独立的初始化,提高数据的可靠性。

4.2.3 传输距离:现使用的UHF波段的电波只能视距传播,其作用距离服从于下列公式(这是由于地球曲率半径造成的):

D=4.24{(h1)1/2+h2)1/2 }

式中h1和h2分别是基准站和流动站电台的天线高,单位为m;D为数据链的覆盖范围的半径,单位为km。仪器在正常无严重遮挡情况下,传输距离都大于10km,但考虑到常规控制网和GPS测量手段的精度不匹配问题,传统控制点的控制覆盖范围不应打破,正常GPS RTK作业半径应符合其规定。

4.2.4 设置:仪器的内部设置是直接影响观测结果的重要因素,坐标系参数、基准站坐标、天线类型等各种仪器状态设置要和当前工程相适应。

4.2.5 精度:仪器的标称精度为10mm+1×10-6(水平)/20mm+1×10-6 (垂直),在规定的作业范围内水平精度优于±20mm,远远高于常规测量对点位精度的要求,使用在公路测量中要和常规测量手段相结合,满足公路测量对相对精度和图形要求。

4.2.6 点位的使用:不同工程所做的点问可能存在+5cm以上的误差,在使用已有的GPS RTK点时要加强复核;若工程对测点问精度有要求时,应进行图形校核。

4.3 RTK测量的局限性

4.3.1 受卫星状况限制。当卫星系统位置对美国是最佳的时候,世界上有些国家在某一确定的时问段仍然不能很好地被卫星所覆盖.容易产生假值。另外,在高山峡谷深处及密集森林区,城市高楼密布区,卫星信号被遮挡时间较长,使一天中可作业时间受限制。

4.3.2 受天空环境影响。白天中午,受电离层干扰大,共用卫星数少,常接受不到5颗卫星,因而初始化时间长甚至不能初始化,也就无法进行测量,所以选择作业时段很重要。

4.3.3 数据链传输受干扰和限制、作业半径比标称距离小的问题。RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰,在传输过程中衰减严重,严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和城镇密楼区数据链传输信号受到限制。另外,当RTK作业半径超过一定距离(一般为几公里。每种机型在不同的环境又各不相同)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很多,工程实践和专门研究都证明了这一点。