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GPS实时动态测量RTK技术规范与说明白皮书

[ 来源:互联网 | 时间:2007年09月29日 | 收藏本文 ] 【

RTK定位技术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。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。

1 总则

1.1 为了GPS RTK技术在治黄测绘及其它相关领域内推广应用,统一RTK作业方法、仪器使用要求、数据处理方法,特制定本规程。
1.2本标准参照与引用的标准
1.2.1 《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2001);
1.2.2 《全球定位系统城市测量技术规程》(CJJ73-97);
1.2.3 《公路全球定位系统(GPS)测量规范》(JTJ/T066-98);
1.2.4 《全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程》(CH8016-1995)。
1.3 本规程适用于四等平面以下、等外水准控制测量、放样测量、地形测量(包括水下地形测量)、断面测量,以及当采用RTK技术辅助水文测验、河道冲淤监测时亦可参照本规程。

2  术语

2.1全球定位系统(GPS )   Global Position System
GPS是由美国研制的导航、授时和定位系统。它由空中卫星、地面跟踪监控站、和用户站三部分组成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。GPS系统的特点是高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。
2.2 实时动态测量(RTK)  Real Time Kinematic
RTK定位技术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。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态。RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术。
2.3  观测时段 Observation
测站上开始接收卫星信号到停止接收,连续观测的时间长度。
2.4 同步观测 Simultaneous Observation
两站或两站以上接收机同时对同一组卫星进行观测。
2.5 天线高 Antenna Height
观测时接收机相位中心到测站中心标志面的高度。
2.6 参考站 Reference Station
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,其余接收机在这些测站的一定范围内流动作业,这些固定测站就称为参考站。
2.7 流动站 Roving Station
在参考站的一定范围内流动作业,并实时提供三维坐标的接收机称为流动接收机。
2.8 世界大地坐标系1984(WGS1984) World Geodetic System 1984
由美国国防部在与WGS72相关的精密星历NSWC –9Z-2基础上,采用1980大地参考数和BIH1984.0系统定向所建立的一种地心坐标系。
2.9 国际地球参考框架ITRF YY  International Terrestrial Refference Frame
由国际地球自转服务局推荐的以国际参考子午面和国际参考极为定向基准,以IERS YY天文常数为基础所定义的一种地球参考系和地心(地球)坐标系。
2.10 永久性跟踪站 Permanent Tracking Station
长期连续跟踪接收卫星信号的永久性地面观测站。
2.11 广域增强差分系统(WAAS) Wide Area Augmentation Differential GPS System
WAAS系统是将主控站所算得的广域差分信号改正信息,经过地面站传输至地球同步卫星,该卫星以GPS的L1频率为载波,将上述差分改正信息当作GPS导航电文转发给用户站,从而形成广域GPS增强系统。美国已计划将WAAS发展成国际标准,是美国GPS现代化计划的一部分。
2.12 局域增强差分系统(LAAS) Local Area Augmentation Differential GPS System
将基准站所算得的伪距差分和载波相位差分改正值、C/A码测距信号,一起由地基播发站调制在L1频道上传输给用户站。
2.13 在航初始化(OTF)  On The Flying
  是整周模糊度的在航解算方法。
2.14 截止高度角  Elevation Mask Angle
为了屏蔽遮挡物(如建筑物、树木等)及多路径效应的影响所设定的角度阀值,低于此角度视野域内的卫星不予跟踪。

3 坐标系统和时间系统

3.1 坐标系统
3.1.1 RTK测量采用WGS84系统,当RTK测量要求提供其它坐标系(北京坐标或1980西安坐标系等)时,应进行坐标转换。
   各坐标系的地球椭球和参考椭球基本参数,应符合表3.1.1的规定。
地球椭球和参考椭球的基本几何参数           表3.1.1
项目 地球椭球 参考椭球
坐标系名
参数名称 WGS-84 1980西安坐标系 1954北京坐标系
长半轴a (m) 6378137 6378140 6378245
短半轴b(m) 6356752.3142 6356755.2882 6356863.0188
扁  率α 1/298.257223563 1/298.257 1/298.3
第一偏心率平方e2 0.00669437999013 0.00669438499959 0.006693421622966
第二偏心率平方e’2 0.006739496742227 0.00673950181947 0.006738525414683
3.1.2 坐标转换求转换参数时应采用3点以上的两套坐标系成果,采用Bursa-Wolf、Molodenky等经典、成熟的模型,使用PowerADJ3.0、SKIpro2.3、TGO1.5以上版本的通用GPS软件进行求解,也可自行编制求参数软件,经测试与鉴定后使用。转换参数时应采用三参、四参、五参、七参不同模型形式,视具体工作情况而定,但每次必须使用一组的全套参数进行转换。坐标转换参数不准确可影响到2~3cm左右RTK测量误差。
3.1.3 当要求提供1985国家高程基准或其它高程系高程时,转换参数必须考虑高程要素。如果转换参数无法满足高程精度要求,可对RTK数据进行后处理,按高程拟合、大地水准面精化等方法求得这些高程系统的高程。
3.2 时间系统 
3.2.1 RTK测量宜采用协调世界时UTC。当采用北京标准时间时,应考虑时区差加以换算。这在RTK用作定时器时尤为重要。

4 RTK测量技术设计

4.1 RTK技术当前的测量精度(RMS)
平面 10mm+2ppm;
高程 20mm+2ppm。
4.2 RTK测量可用于的测量工作
4.2.1控制测量:RTK技术可用于四等以下控制测量、工程测量的工作。
4.2.2 地形测量:采用RTK,并配合一定的测图软件,可以测设各种地形图,如普通测图;线路带状地形图的测设;配合测深仪可以用于水下地形图;航海海洋测图等。RTK外业可进行属性编码。
4.2.3 放样测量 :将设计方案放样到实地。在外业可直接设计线路,增强了设计的应用范围。由于RTK在行进中不断计算测站位置、偏移量及填/挖方量,此时放样可以与设计很好的结合起来。
从RTK硬件设备特性和观测精度、可靠性及可利用性综合考虑,现阶段RTK的测量技术要求如下表:
RTK测量技术设计要求       表4.2
等级 精度要求 距离(km) 测回数
四等以下平面控制 最弱点位误差≤5cm
最弱边相对中误差≤1/4.5万 ≤8 ≥3
等外水准 30
≤8 ≥3
图根控制(测图控制、像控测量、放样、中桩测量等) 最弱点位误差≤5cm
最弱边相对中误差≤1/4000 ≤10 ≥2
地形测量 平面: 图上0.5mm
高程:1/3等高距 ≤10 ≥1
4.3 RTK的测量距离
4.3.1 由于RTK数据链的传播限制和定位精度要求,RTK测量一般不超过10km。各等级测量要求可按4.1的测量计算某个测区的最长流动站距离。但在中小比例尺测图时,在等高距大于2米时,可将测距放宽至不大于15km。当等高距小于2米时,应不大于10公里。但要注意下列要求:
 (1)GPS接收机的性能要高,且机内有先进的数学模型,能确保长基线进行正确整周未知数的求解。
 (2)数据链的性能要好,传送距离要远,能正确无误的将参考站的数据发送到流动站。
 (3)根据无线电传播的规律,参考站和流动站离地面要有一定的高差。
 (4)参考站和流动站之间必须没有山体、楼群之类的遮挡,另外作业区域内还不能存在强烈的电磁波等干扰。
4.3.2 发射距离与电台天线的高度也有关系。由于参考站电台天线发射UHF波段差分信号电波,天线的高度对RTK测量距离影响很大,天线高与作用距离服从于下列公式:
D=4.24×( + )                 (4.3.2)
  式中I1和 I2 分别是基准站和流动站电台的天线高,单位为米;D为数据链的覆盖范围的半径,单位为公里。上式是在无障碍物遮挡和无电波干扰的理想条件下的覆盖范围,实际应用中将会有所出入。
根据测区大小,可设置不同的发射天线高度。
4.4 RTK测量准备
4.4.1 测区内欲用作参考站的控制点应首先进行图上设计,分析RTK链的覆盖范围。如果某处距控制点过远,应加测高等级控制点,再进行RTK测量。
4.4.2  RTK测量时应视测量目的、要求精度、卫星状况、接收机类型、测区已有控制点情况及作业效率等因素综合考虑,按照优化设计原则进行作业。
4.4.3 当测区内有GPS永久性跟踪站、国家A或B级网点、GPS地壳形变监测点时,应首先选用作参考站点。
4.4.4 为了检验当前站RTK作业的正确性,必须检查一点以上的已知控制点,或已知任意地物点、地形点,当检核在设计限差要求范围内时,方可开始RTK测量。

5 参考站的设置要求

5.1 点位要求
5.1.1 参考站的选择必须严格。因为参考站接收机每次卫星信号失锁将会影响网络内所有流动站的正常工作。
5.1.2 周围应视野开阔,截止高度角应超过15º;周围无信号反射物(大面积水域、大型建筑物等),以减少多路径干扰。并要尽量避开交通要道、过往行人的干扰。
5.1.3 参考站应尽量设置于相对制高点上,以方便播发差分改正信号。
5.1.4 参考站要远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200米外,要远离高压输电线路、通讯线路50米外。
5.2 参考站设置
5.2.1 参考站上仪器架设要严格对中、整平。
5.2.2 GPS天线、信号发射天线、主机、电源等应连结正确无误。
5.2.3 严格量取参考站接收机天线高,量取二次以上,符合限差要求后,记录均值。
5.2.4 参考站的定向指北线应指向正北,偏离不得超过左右10度。对无标志线的天线,可预先设置标志位置,在同一测区内作业期间,应每次标志指向做到基本一致。
5.3参考站运行期间作业要求
5.3.1  当为了节省控制器电量或用于流动站时,参考站在工作期间可关闭手持控制器后去掉。
5.3.2 尽管各RTK设备在设计时考虑到防水、防晒等因素,但作业时应尽量避免烈日暴晒或雨水淋湿。
5.3.3 参考站工作期间,工作人员不能远离,要间隔一定时间检查设备工作状态,对不正常情况及时作出处理。
5.3.4由于参考站除了GPS设备耗电外,还要为RTK电台供电,可采用双电源电池供电,或采用汽车电瓶供电。条件许可时,可采用12V直流调变压器直接同市电网路连接供电。

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