gps在公路工程控制测量中的应用(编辑修改稿)

gps在公路工程控制测量中的应用(编辑修改稿)内容摘要：

号的能量，是较理想的设站地址。 翻耕后的土地和其它粗糙不平的地面反射能力也较差，也可选站。 （ 2）测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中。 以避免反射信号从天线抑径板上放进入天线，产生多路径误差。 （ 3）测站应离开高层建筑物。 观测时，汽车也不要停放的离测站过近。 2 对接收机天线的要求。 （ 1）在天线中设置抑径板，通过抑径板来阻止被地面反射的卫星信号，来避免读路径 误差的产生。 （ 2）改进接收天线。 接收天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。 3 在静态定位时，经过长时间的观测，多路径误差的影响可大大减弱。 4 结论 通过对 GPS测量的误差分析，可以发现系统误差（卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射误差）的减弱，主要靠通过改进接收机的性能和增强卫星技术的发展；而偶然误差（信号的多路径效应、接收机的位置误差、天线相位中心位置误差）的减弱，可以通过测量人员的工作态度和工作热情，以及经验的丰富来减弱。 GPS RTK技术研究 1 RTK技术 RTK（ Real Time Kinematic）技术是差分 GPS 定位技术，也称载波相位差分技术。 差分 GPS定位技术是一种高效的定位技术，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，基准站根据该点的精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；是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法，它又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给移动站，改正移动站 接收到的载波相位，再求解坐标，也称准 RTK。 差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站，进行求差结算坐标，也称真正的RTK。 RTK工作原理及模式 RTK技术的关键是初始调整模糊度的快速解算、数据链的优质完成 ——实现高波特率数据传输的高可靠性和强干扰性。 2 RTK正常工作的基本条件 基准站和移动站同时接收到 5颗以上 GPS卫星信号。 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。 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。 即移动站迁站的过程中不能关机 ，不能失锁，否则 RTK需重新初始化。 3 RTK的精度 RTK技术采用求差法降低了载波相位的测量改正后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 1CM+2PPM。 工程实践和研究均证明 RTK能达到厘米级精度。 RTK的平面精度：通过对 Ashtech Z—12的研究表明：（ 1）数据链信号接受半径超过 15KM，但RTK测量结果只在 4KM的范围内保持了较高精度（用全站仪检查其中误差在 2CM以内）， 4KM以外的测量结果精度明显降低。 （ 2）接收到的卫星 数目越少测量结果标准差越大，但只要能接收到 5颗以上卫星，得出的固定解就能达到仪器标称精度。 RTK的测高精度：为检验 Ashtech Z—12的测高精度（标称精度为垂直 30MM+2PPM），通过对 462个点的观测误差分析，得出： （ 1） 程观测平均值为 ，标准差 8MM。 最大值 ，最小值 ，有 98%的数据中误差小于 30MM。 即 RTK的固定解能达到仪器标称精度。 （ 2） 当 VDOP2时，观测结果最优，当 VDOP4时，标准差明显增大，但仍优于标称精度，可见卫星分布对高程精 度有影响，但影响结果不大。 （ 3） 当接收卫星数目超过 6颗时，标准差变化不显著，当接收卫星数目为 5颗时，标准差明显增大，但仍优于标称精度。 （ 4） 可见，只要接收卫星数目超过 6颗， VDOP4，能得出固定解，这时 RTK就能达到测高标称精度。 4 RTK数据的传输特性及 RTK使用的范围 要使 RTK连续快速地获得固定解，就必须使 RTK移动站连续、可靠、快速地接收到基准站发来的数据链信号，数据链传输的高可靠性和强抗干扰性主要受地形地势的影响。 目前， RTK系统的数据传输多采用超高频（ UHF）、特高频（ VHF）和高 频（ HF）播发差分信号，这三种频率的特点如表所示。 表 1 三种频率信号的特点 频段 比较 UHF VHF HF 传播方式 直线传播 直线传播 电离层反射 传播距离（ KM） 0—50 50—100 100 绕射性能 很小 很小 大 盲区 无 无 有 噪声 很小 很小 大 投资比 1 1 50 采用 30W电台数据链的传输距离比较： 目前，在国际测绘领域的 RTK应用中，无论单频和双频 RTK系统，都采用 UHF电台播发差分信号。 UHF是超短波，若基准站的发射天线和流动站的接收天线均没有足 够的高度，超短波沿地球表面绕射传播，这样电磁波在传播过程中不断被地面吸收而迅速衰弱，严重的限制了 RTK的有效工作半径；若基准站的发射天线和流动站的接收天线均有一定的高度且在直视距离内，超短波将以直线波和地面反射波组成的相干传播方式传播，使 RTK的有效工作半径大大增强，一般可达 15KM，最大可达40多 KM，但是，如果基准站的发射天线和流动站的接收天线由于障碍物阻隔不在直视距离内时，情况较为复杂。 在城镇的密楼区，基准站的发射天线和流动站的天线在不能直接通视时主要靠反射波取得改正数据，这样， RTK的有效作业半径就 会很小，有时只有几百米。 在野外，障碍物是树木等电磁波可以有效穿透的物体时，数据链可以有效的传输；如果障碍物是较低的山体，流动站的接收天线可能接收到从障碍山体绕射过来的电磁波和从旁边较高山体反射过来的电磁波，这样 RTK能够正常工作，实验表明有时障碍山体后面的电磁波场强由于多路信号迭加而增强；如果障碍物是很高的山体，电磁波的绕射和反射性能不发挥作用，则 RTK不能正常工作。 因此，为了接收到基准站播发的差分信号要求基准站和移动站的天线必须满足 ―电磁波通视 ‖——即电磁波能从基准站通过直射、绕射和反射等 传播方式有效地到达移动站，这样在平坦地区的几公里范围内，一般都能顺利进行RTK测量。 但在其他地区如果数据链不能正常传输（即使同时接收到 5颗以上有效卫星），则也难以成功实施 RTK测量。 在这种条件下，进行 RTK测量时，可采取以下解决办法： （ 1）把 RTK的基准站布设在 RTK有效测区中央最高的控制点。 （ 2）使用高增益天线及高灵敏度接收机。 （ 3）提高基准站和流动站天线的架设高度。 （ 4）缩短各点到基准站的距离，使其能满足 ―电磁波通视 ‖，在地形、地物遮挡时， 另增设中继站。 但是，这些措施在外业时将增加很多困难， 因此，采用 RTK技术要求 CM级定位精度时，一般都限定移动站至基准站的距离为几公里。 5 RTK的误差特性及控制方法 RTK定位的误差，一般分两类 （ 1） 同仪器和干扰有关的误差：包括天线相位中心变化、多路径误差、信号干扰和气象因素等。 （ 2）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等。 对基准站而言，同仪器和干扰有关的误差可通过各种矫正方法予以消弱，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的有效作业半径是非常有限的（一般为几公里）。 同仪器和干扰有关的误 差 （ 1） 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定位精度，必须进行天线检验校正，检验方法分为实验室的绝对检验法和野外检验法。 （ 2） 多路径误差：多路径误差是 RTK定位测量中最严重的误差。 多路径误差取决于天线周围的环境。 多路径误差一般为几 CM，高反射环境下可超过 10CM。 多路径误差可通过下列措施予以消弱： A、 选择地形开阔、不具反射面的点位。 B、 采用扼流圈天线。 C、 采用具有消弱多路径误差的各种技术天线。 D、 基准站附近辅设吸收电波的材料。 （ 3） 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。 为了消弱电磁波辐射副作用，必须在选点时远离这些干扰源，离无线电发射台应超过 200米，离高压线应超过 50米。 在基准站消弱天线电噪声最有效的方法是连续监测所有可见卫星的周跳和信噪比。 （ 4） 气象因素：快速运动的气象锋面，可能导致观测坐标的变化达到 1—2DM。 因此，在天气急剧变 化时不适宜进行 RTK测量。 同距离有关的误差 同距离有关的误差的主要部分可通过多基准站技术消除。 但是，其残余部分也随着至基准站距离的增加而加大。 （ 1） 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 1PPM，就短基线（ 10KM）而言，对结果影响可以忽略不计。 但是，对 20—30KM的基线则可达到几厘米。 （ 2） 电离层误差：电离层引起电磁波传播延迟从而产生误差，其延迟强度与电离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，白天为夜间的 5倍 ，冬季为夏季的 5倍，太阳黑子最强时为最弱时的 4倍。 利用下列方法使电离层的误差得到有效的消除和消弱： A、 利用双频接收机将 L1和 L2的观测值进行线形组来消除电离层的影响。 B、 利用两个以上观测站同步观测量求差（短基线）。 C、 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方法。 但在太阳黑子爆发期间，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，小于 5PPM。 （ 3） 对流层误差：对流层误差同点间距离和点间高差密切相关，一般可打 3PPM。 为了保证 RTK CM级精度，要对测站有关误差一起模拟。 目前，常用的单、双频 RTK 系统的数据链电台多为美国 PCC公司 35W（基准站）和 2W（移动站）电台。 实验表明，当两上顶之间能通视，距离为 40KM时，也可以收到差分信号。 但是，移动站在城镇区作业时，如两点之间有房屋遮挡，即使相距 1KM也很难接收到差分信号。 因此，国际上将 RTK技术通常只用于几公里范围内、两点之间能电磁波 ―通视 ‖的坐标测量。 6 RTK技术的测量速度 RTK技术的测量速度主要由初始化所须时间决定，初始化所须时间又有 RTK技术差别（各种的快速解算技术）、接收卫星 的数量和质量、 RTK数据链传输质量等因素决定，快速解算技术越先进，在一定高度角下接收到的卫星数量越多、质量越好， RTK数据链传输质量越高，初始化时间就所需时间越短。 在良好的环境条件下， RTK初始化所需时间一般为几十秒；不良环境条件下（尚满足 RTK基本工作条件），技术先进的 RTK也需要几分钟到几十分钟，其它机型 RTK需要几时分钟甚至不能测量。 如美国 Ashtech生产的 Z—X双频 RTK在良好的环境条件下初始化需时间为 2—10S，在不良环境条件下，仍能较顺利地进行 RTK测量，主要是这种机型拥有先进的 Z—跟踪专利技 术、快速 RTK（INSTANT—RTK）技术和多路径消减专利技术，实验表明，即使测区内有一部分地方环境恶劣，其观测值点位中误差仍在 177。 7 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行最高为 95%， RTK比静态 GPS还多出一些误差因素（如数据链传输错误等）。 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： （ 1） 以知点检核比较法。 即在布测控制网时用静态 DPS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 现问题采用措施改正。 （ 2） 重测比较法。 每次初始化成功后，先重测 1—2个已测过的或 控制点，确认无误后才进行 RTK测量。 （ 3） 电台变频实时检测法。 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，流动站用变频开关有选择性地分别接收每个基准站繁荣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。 以上方法中，最可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来检验测量结果，电台变频实时检测法的实时性好，但它需要具备一定的仪器条件。 8 GPS RTK技技术优点 作业效率高。 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 ―搬站 ‖次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即可到一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节声了外业费用，提高了劳动效率。 定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。 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厘米级。 如 Ashtech的 Z—X RTK的精度可优于。 降低了作业条件要求。 RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足 ―电磁波通视 ‖，因此，和传统测量相比， RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地面障碍而造成的难通视地区，只要满足 RTK的基本条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业，使测量工。