GPS-RTK测量与放样.ppt

GPS定位测量 项目2 GPS RTK测量与放样项目基础知识主讲 李永川 2020 3 24 2 项目2学习型任务 该项目反映了GPS RTK技术在控制测量 地形测量及工程放样中的应用 它涉及的工作任务直接体现在测绘企业中的重要岗位和部门 本教学项目由5个学习任务组成 任务5GPS RTK参考站与流动站架设任务6GPS RTK作业准备任务7GPS RTK控制测量任务8GPS RTK地形测量任务9GPS RTK工程放样 2020 3 24 3 项目2GPS RTK测量与放样 1差分GPS2RTK的定位原理 重点 3RTK的类型4RTK系统的基本配置 重点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 6RTK测量的质量控制 难点 1差分GPS 2020 3 24 4 1差分GPS 差分GPS DifferenceGlobalPo sitioningSystem 缩写为DGPS 差分GPS技术可以完全消除用户接收机共有的卫星钟误差 星历误差 电离层误差 对流层误差 部分消除用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差 定位精度大大提高 成为RTK技术产生的祭奠 差分GPS是在正常的GPS信号外附加修正信号 此修正信号即为差分信号 2020 3 24 5 1差分GPS 根据时效性可将差分GPS定位分为实时差分和事后差分 根据观测值类型分为伪距差分和载波相位差分 根据工作原理和差分模型分为局域差分和广域差分 根据差分GPS参考站发送的信息方式将分为位置差分 伪距差分和载波相位差分 2020 3 24 6 1差分GPS 1 位置差分原理位置差分是由参考站利用数据链将其坐标差作为改正数发送出去 由用户接收 并且对其解算的用户坐标进行改正 经改正后的用户坐标能消去参考站和用户的共同误差 位置差分的计算方法简单 适用于各种型号的接收机 但位置差分要求用户和参考站接收机同时观测同一组卫星 只适用于100km以内 2020 3 24 7 1差分GPS 2 伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术 几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术 伪距差分利用参考站的伪距改正数 传送给用户来修正伪距观测量 从而消减公共误差的影响 以求得比较精确的用户位置坐标 伪距差分时 只需要参考站提供所有卫星的伪距改正数 而用户接收机观测任意4颗卫星就可以完成定位 但伪距差分的基线长度也不宜过长 2020 3 24 8 1差分GPS 3 载波相位差分原理载波相位差分又称RTK技术 通过对两测站的载波相位观测值进行实时处理 可以实时提供厘米级精度的三维坐标 载波相位差分是由参考站通过数据链实时地将其载波相位观测量及参考站坐标信息一同发送到用户 并与用户的载波相位观测量进行差分处理 适时地给出用户的精确坐标 2020 3 24 9 项目2GPS RTK测量与放样 1差分GPS2RTK的定位原理 重点 3RTK的类型4RTK系统的基本配置 重点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 6RTK测量的质量控制 难点 2RTK的定位原理 重点 2020 3 24 10 2RTK的定位原理 重点 RTK RealTimeKinematic 即GPS实时载波相位差分 是一种将GPS与数传技术相结合 实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法 经实时解算进行数据处理 在1 2秒的时间里得到高精度位置信息的技术 载波相位差分GPS的方法分为两类 修正法和差分法 2020 3 24 11 2RTK的定位原理 重点 RTK是这样定位的 在参考站上安置一台GPS接收机 另一台或几台接收机置于载体 称为流动站或移动站 上 参考站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号 参考站所获得的观测值与已知位置信息进行比较 得到GPS差分改正值 将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站 流动站通过无线电接收参考站发射的信息 将载波相位观测值实时进行差分处理 2020 3 24 12 2RTK的定位原理 重点 RTK常用的定位方式是准动态定位 故称为Kinematic或StopandGo RTK的观测模型为 参考站发给流动站的信息主要有 参考站的WGS 84坐标 利用L1或L2载波通过载波相位测量得出的伪距 载波相位观测值中的整周计数INT 和不足一周的相位Fr 2020 3 24 13 项目2GPS RTK测量与放样 1差分GPS2RTK的定位原理 重点 3RTK的类型4RTK系统的基本配置 重点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 6RTK测量的质量控制 难点 3RTK的类型 2020 3 24 14 3RTK的类型 3 1单参考站RTK单参考站RTK又称为单基站RTK 只设置一个参考站 通过数据通信技术接收广播星历改正数的RTK测量技术 单参考站RTK所用的数据通信核心是数据链发射电台及其配件 有时GPS生产厂商又将这种类型的RTK称为电台模式的RTK 2020 3 24 15 3 1单参考站RTK 单参考站RTK技术是目前广泛使用的测量技术之一 但它的应用受到电离层延迟和对流层延迟的影响 使原始数据产生了系统误差并导致以下缺点 用户需要架设本地参考站 设备复杂 定位误差随距离的增长而增加 流动站和参考站的工作距离受到限制 可靠性随距离增大而降低 电台信号容易受干扰电源供给以电瓶为主 携带不便 2020 3 24 16 3RTK的类型 3 2多参考站RTK多参考站RTK技术也称网络RTK技术 在一定区域内建立多个参考站 对该地区构成网状覆盖 并进行连续跟踪观测 通过这些站点组成卫星定位观测值的网络解算 获取覆盖该地区和该时间段的RTK改正参数 用于该区域内RTK测量用户进行实时RTK改正的定位方式 目前国际上网络RTK的应用代表有VRS技术 FKP技术 MAC技术和CBI技术 2020 3 24 17 3 2多参考站RTK 1 VRS技术VRS技术是德国Terrasat公司于1999年推出 经过几年的提高完善已形成实用化 商品化的技术和软件系统 后为美国天宝 Trimble 公司所用 VRS技术分别估计电离层 对流层模型 并对观测值进行修正 每邻近的3个参考站产生一组区域改正参数 结合用户站反馈的定位信息生成一个虚拟参考站 作业模式为双向数据通信 用户无需添加额外设备 2020 3 24 18 3 2多参考站RTK 2 FKP技术FKP技术由德国Geo 公司推出 该技术采用整体的网络解 对数据用卡尔曼滤波进行非差处理 整个网络仅生成一组区域改正参数 并通过扩展协议发给流动站 FKP技术只需要单向数据传输链路 但用户需要增加相关设备以进行扩展协议的变换 2020 3 24 19 3 2多参考站RTK 3 MAC技术MAC技术是由徕卡测量系统公司与Geo 公司一起推出 它的基本要求就是将参考站的相位距离化为一个公共的整周未知数水平 如果相对于某一卫星与接收机而言 相位距离的整周未知数就被消除了 此时 就可以说两个参考站具有一个公共的整周未知数水平 网络处理软件的主要任务就是将网络中所有参考站相位距离的整周未知数归算到一个公共的水平 主辅站技术既能进行双向数据通讯 又能进行单向数据通讯 2020 3 24 20 3 2多参考站RTK 4 CBI技术CBI由武汉大学GPS中心于2002年推出该技术利用卫星定位误差的相关性计算参考站上的综合误差 并内插出用户站的综合误差 在电离层变化较大的时间段和区域内 应用此项技术较有优势 CBI技术也是既能进行双向数据通讯 又能进行单向数据通讯 2020 3 24 21 项目2GPS RTK测量与放样 1差分GPS2RTK的定位原理 重点 3RTK的类型4RTK系统的基本配置 重点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 6RTK测量的质量控制 难点 4RTK系统的基本配置 重点 2020 3 24 22 4RTK系统的基本配置 重点 RTK系统的基本配置包括参考站 流动站和数据链三个部分 参考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参考站的数据 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 GPS RTK作业能否顺利 关键问题是数据链的稳定性和作用距离是否满足要求 它和电数据链本身的性能 发射天线的类型 参考站的选址 设备的架设 周围环境中无线电的干扰情况等有直接关系 2020 3 24 23 4 1参考站 ReferenceStation 在一定的观测时间内 一台或几台接收机分别在一个或几个测站上 一直保持跟踪观测卫星 其它接收机在这些测站的一定范围内流动作业 这些固定测站称为参考站 也称基准站 参考站GPS接收机 能够接收并通过串口发射参考站观测的伪距和载波相位观测值 电源系统 GPS接收机和数据链可使用同一电源 或采用双电源电池供电 参考站数据链及天线 将参考站观测的伪距和载波相位观测值发射出去 2020 3 24 项目2基础知识 24 Trimble4800GPS RTK参考站配置图 4 1参考站 ReferenceStation 2020 3 24 项目2基础知识 25 4 1参考站 ReferenceStation 华测X 90GPS RTK参考站配置图 2020 3 24 26 4 1参考站 ReferenceStation 参考站数据链及天线单参考站RTK的参考站电台一般为外置的独立电台 其设置要求如下 功率要求 有5瓦 25瓦 35瓦几种可供选择的频率 电池供电要足 电瓶选择12V 60A或12V 120A为宜 可保证一定的工作时间 先安装 连接天线 天线尽可能升高 电台频率设置为本地比较少用的一种 要向本地无线电管理委员会咨询或申请 2020 3 24 27 4 2流动站 RovingStation 流动站GPS接收机 RoverStation 能够观测伪距和载波相位观测值 通过串口接收参考站的坐标 伪距 载波相位观测值 能够差分处理参考站和流动站的载波相位观测值 流动站数据链及天线能够接收参考站观测的伪距和载波相位观测值 参考站坐标 手持数据采集器或称为测量手簿 含各种实用软件 2020 3 24 28 4 3数据链 RTK系统中参考站和流动站的GPS接收机通过数据链进行通信联系 因此参考站与流动站系统都设有数据链 数据链由调制解调器和电台组成 调制解调器将改正数进行编码和调制 然后输入到电台上发射出去 用户台将其接收下来 将数据解调后 送入GPS接收机进行改正 电台是将参考站调制后的数据变成强大的电磁波辐射出去 能在作用范围内提供足够的信号强度 使流动站接收机能可靠地接收 2020 3 24 29 项目2GPS RTK测量与放样 1差分GPS2RTK的定位原理 重点 3RTK的类型4RTK系统的基本配置 重点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 6RTK测量的质量控制 难点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 2020 3 24 30 5RTK定位的精度与可靠性 难点 不同类型的GPS接收机RTK定位都有各自的出厂精度 可据此估算RTK定位的精度 如华测X90的GPS RTK定位的水平精度为10mm 1 D 垂直精度为20mm 1 D 其中D为参考站GPS接收机至流动站GPS接收机的水平距离 以km为单位 为保证流动站的测量精度和可靠性 应在整个测区选择高精度的控制点进行坐标转换 RTK定位测量的精度与测区内已知控制点的等级 个数和分布情况有关 2020 3 24 31 5RTK定位的精度与可靠性 难点 1 测区内仅有一个已知控制点的情况定位测量时 仅已知点上的精度最高 以本点为圆心 离此点越远 精度越低 理论上讲 在半径为10km的范围内 可达到2 5cm左右精度 坐标转换的方法是WGS 84和其它坐标相减而得 X Y Z坐标平移量 再利用此平移量实现坐标转换 2020 3 24 32 5RTK定位的精度与可靠性 难点 2 测区附近有两个已知控制点的情况 必须为整体平差结果 定位测量时 仅两已知控制点和两点的连线上的精度最高 越远离此直线则精度越低 3 测区附近有三个已知控制点的情况 必须为整体平差结果 定位测量时 仅三已知控制点和三角形内部的精度最高 越远离此三角形则精度越低 4 测区附近有四个已知控制点的情况 必须为整体平差结果 定位测量时 若四个已知点均匀分布在测区四周 仅四个已知控制点和四边形内部的精度最高 越远离四边形则精度越低 2020 3 24 33 项目2GPS RTK测量与放样 1差分GPS2RTK的定位原理 重点 3RTK的类型4RTK系统的基本配置 重点 5RTK定位的精度与可靠性 难点 6RTK测量的质量控制 难点 6RTK测量的质量控制 难点 2020 3 24 34 6RTK测量的质量控制 难点 6 1影响RTK测量的因素 1 GPS系统的局限性RTK的作业需要避免一些不利因素的影响 而造成这些影响的主要原因是源于整个GPS系统的局限性 2 RTK数据链的局限性RTK作业的另一个不利因素来源于RTK传输数据链本身 RTK数据链的工作与周围的电磁环境以及作用距离都有较大关系 2020 3 24 35 在参考站架设时应当选择较好的已知点点位 用户注意使观测站位置具有以下条件 在10度截止高度角以上的空间不应有障碍物 邻近不应有强电磁辐射源 参考站最好选在地势相对高的地方以利于电台的作用距离 地面稳固 易于点的保存 6RTK测量的质量控制 难点 2020 3 24 36 6 2导致RTK测量发生粗差的原因 1 初始化错误发生原因 未能正确确定模糊度 产生后果 导致所有观测结果发生较大偏差 2 模糊度未保持错误发生原因 未正确探测或修复参考站及流动站载波相位数据中的周跳 产生后果 导致保持失败后的所有观测成果发生较大偏差 2020 3 24 37 6 3RTK质量控制的方法 1 快速静态比较法这种方法是在进行RTK观测的同时 对某些RTK点再做一次快速静态观测 事后对这些点的RTK成果和快速静态成果进行比较分析 从而检查RTK成果是否有质量问题 采用这种方法作快速静态时 需要流动站和参考站约定好同时记录原始观测数据 内业处理时 对RTK的成果和快速静态的成果进行比较分析 并按X Y H坐标的差值 平面位移 空间位移等要素进行报表和图形输出 作为RTK测量成果质量控制的资料 实际操作中 可以每天测3 6个快速静态点 也可以每条测量链观测1 2个快速静态点 2020 3 24 38 6 3RTK质量控制的方法 2 重测比较法重测比较法要求在每次重新初始化成功后 先重测附近已测过的RTK点l 3个 并现场比较其成果 从而判断这次的初始化是否正确可靠 对第一条RTK测量链 应该测l 2个快速静态点进行质量控制 重测比较法虽然外业时已经实时地对RTK成果进行了比较 内业处理时还需要做进一步的分析 并将比较分析的结果进行报表和图示输出 这些和快速静态比较法基本相同 2020 3 24 39 6 3RTK质量控制的方法 3 电台变频法这种方法是在测区内建立两个或两个以上的参考站 每个参考站都用各自不同的频率发射差分改正数据 流动站电台配有变频开关 可以选择接收不同的参考站发射的差分改正数据 从而在每个RTK点上实时地接收某一个参考站的差分改正数据 即可获得一个RTK成果 实时地比较多个RTK成果的数据 就可以判断这次观测有无质量问题 2020 3 24 40 6 4RTK成果检验 由于RTK技术目前正处于推广应用阶段 外业工作应加强对RTK成果的检验 RTK成果的外业检查可以采用下列方法 与已知点成果的比对检验重测同一点的检验已知基线长度测量检验不同参考站对同一测点的检验