基于rtk技术的数字化成图的原理与方法

基于rtk技术的数字化成图的原理与方法内容摘要：

户与基准站之间的距离一般在 500km 以内才 能获得较好的精度。 3 广域差分 广域差分 GPS 的基本思想是对 GPS 观测量的误差源加以区分，并单独对每一种误差源分别加以“模型化”，然后将计算出的每一误差源的数值，通过数据链传输给用户，以对用户 GPS 定位的误差加以改正，达到削弱这些误差源，改善用户 GPS 定位精度的目的。 11 167。 RTK 的定位原理 RTK 是根据 GPS 的相对定位概念，将一台接收机放在已知点上（称为基准站），另一台或几台接收机放在新点上（称为移动站），同步接收相同卫星的信号。 见图32，将这些观测值进行差分，可消弱和消除轨道误差、 钟差、大气误差等的影响，实时定位精度能大大提高。 图 RTK 定位原理 1 载波相位观测量 载波相位观测量是 GPS 接收机所接收的卫星载波信号与接收机本地参考信号的相位差。 以 )(kjk t 表示 k接收机钟面时刻 tk时所接收到的 j卫星载波信号的相位值，)(kk t 表示 k 接收机在钟面时刻 tk时所产生的本地参考信号的相位值，则 k接收机在接收机钟面时刻 tk时观测 j 卫星所取得的相位观测量可写成： )()()( kjkkkkJK ttt   通常的相位或相位差只是测出一周以内的相位值。 实际测量中，如果对整周进行技术，则自某一初始取样时刻（ t0）以后就可以取得连续的相位测量值。 在初始 t0时刻，测得小于一周的相位差为 0 ，其整周数为 jN0 ，此时包含整周数的相位观测值应为： )(0tjk jN00   jjkkjkjkNttNtt000000 )()( )()(     12 接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差 0 ，并利用整波计数器记录从 t0到 ti时间内的整周数变化量 Int（  ），只要卫星 Sj从 t0到 ti之间卫星信号没有中断，则初始时刻整周模糊度 jN0 就为一常数，这样，任意时刻 ti卫星到 k 接收机的相位差为： )()()()( 00  I n tNttt jijkikjk  上式说 明，从第一次开始，在以后的观测中，其观测量包括了相位差的小数部分和累计的整周数。 2 载波相位的观测方程 载波相位观测量是接收机（天线）和卫星位置的函数，只有得到了他们之间的函数，才能从观测量中求解接收机（或卫星）的位置。 设在 GPS 标准时刻 Tα （卫星钟面时刻 tα ）卫星 Sj发射的载波信号相位 )(at ，经传播延迟  后，在 GPS 标准时刻 Tb（接收机钟面时刻 tb）到达接收机。 根据电磁波传播原理， Tb接收到的和 Ta发射时的相位不变， 即 )()( bjaj tt   ，而在 Tb，接收机本振产生的载波相位为 )(bt ,在 Tb时，载波相位观测量为： )()( ajb tt   考虑到卫星钟差和接收机钟差有 Ta=ta+δ ta， Tb=tb+δ tb，则有 )()( aajbb tTtT   对于卫星钟鹤接收机钟，其振荡器频率一般稳定良好，所以其信号的相位与频率的关系可表示为： tfttt  )()(  式中， f 为信号频率，△ t为微小时间间隔。  以 2 为单位。 设 fj为 j卫星发射的载波频率， fi为接收机本振产生的固定参考频率，且 fi=fj=f，同时考虑到  ab TT ，则有   fTT ajb )()( 传播延迟  中考虑到电离层和对流层的影响 1 和 2 ，则 13 )(1 21   c 式中， c为电磁波传播速度，  为卫星至接收机之间的几何距离。 3 载波相位差分（ RTK）原理 载波相位差分技术即 RTK 技术，其差分方法分为两类：一类是修法，一类是差分法。 所谓修正法，即将基准站的载波相位修正值发送给用于，改正用户接收到的载波相 位，再求坐标。 所谓差分法即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算。 可见，修正法为准 RTK，差分法为真正 RTK。 载波相位观测量可得出相应的方程式：    dZZYYXX NNNNR pjpjpj jjpjjpjjpj   2/1222 0000 )()()( )()( 式中， jpN0 表示用户接收机起始相位模糊度， jN0 为基准点接收机起始相位模糊度； jpN 为用户接收机起始历元至观测历元相位整周数， jN 为基准点接收机起始历元至观测历元相位整周数； jp 为用户接收机测量相位的小数部分， j0 为基准点接收机测量相位的小数部分； d 为同一观测历元各项残差，其他符号同前。 这里关键是求解起始相位模糊度。 求解起始相位模糊度通常用以下几种方法：删除法、模糊度函数法、 FARA 法、消去法。 RTK 定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位系统技术，它能够实时的提供测站点在指定坐标系中的三维 定位结果，并达到 cm 级精度。 一般包括三个部分：①基准站②流动站③数据链。 基准站接受所有可视 GPS 卫星信号，并将测站坐标、载波相位观测值、伪距观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，流动站接受戒在跟踪 GPS 卫星信号的同时接受来自基准站的数据，通过差分处理解求载波相位整周模糊度，得到基准站和流动站之间的坐标差值△ X、△ Y、△ Z。 坐标差值加上基准站坐标就可以得到流动站点的 WGS84 坐标，通过坐标转换参数换得出流动站每个点的平面坐标 x、 y 和高程 h。 其流程如图 33。 14 图 RTK 作业流程 GPS 信号 基准站接收机 基准站信息 电 台 发 射 接 收 流动站参数 流 动 站 接 收 机 解 求 两 站 间 实 时 基 线 GPS 信号 解求流动站实时坐标（ WGS84） 坐 标 转 换、高 程 拟 合 流 动 站 三 维 坐 标 用 户 15 第四章 基于 RTK 技术的数字化成图的原理与方法 167。 我们已经提到过：常规的地形测绘方法通常是首先在测区内布设控制网点，一般是在国家高等控制网点的基础上加密次级控制点，然后依据加密控制点，布设图根控制点，最后在控制点上安置仪器，用图解法测绘地形图。 最后利用地形测绘软件进行内业编辑成图。 这种方法要求在测站上测定各个地物地貌的碎部点，这些碎部点间必须与测站点通视，而且每个作业组一般要求 34 人操作，测站点控制的范围受到局限。 而采用 RTK 测绘系统，使测绘地形图不仅可以不再布设控制网，而且测图速度快且精度高。 它不需要点间通视，仅需要一人背着流动站 GPS 接收机在待测的地物地貌碎部点，进行数据采集；并同时输入地物编码，通过控制器手簿，可以实施测定碎部点的三维坐标。 采集完碎部点后与专用的测绘软件接口，下载数据，并通过软件，对地形图进行编辑。 近几年来，高精度的实时动态定位技术 RTK 的发展， GPS 已经能够实时地提供观测站在任意坐标系中的三维数据，且达到了厘米级的高精度，使其迅速成为快速采集数据与定位的高效工具。 在 RTK 的作业模式下，参考 站通过数据链 — 调制解调器，将其观测值及站点的坐标信心用电磁信号一起发送给流动站，流动站不仅接收来自参考站的数据，自身也要采集 GPS 卫星信号观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，瞬时的给出精度为厘米级（相对与参考站）的流动站电位坐标。 外业如图 41 所示 图 外业工作图 流动站可在一固定点上先进行初始化后再进行动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解，在整周模糊度解集固定下来 16 以后，即可进行每一历元的实时处 理。 RTK 作业模式使得三维实时动数据处理、定位、输出、成图成为可能，还能缩短作业观测时间，避免外业返工，保证成果质量。 另外， RTK 作业模式下，参考站无需专人操作，可以用来做局部地区高精度自动化实时定位服务系统。 17 167。 （ RTK）定位系统的构成 其主要由以下部分组成： 1卫星信号接受系统 在实时动态定位测量系统中，应至少包括两台 GPS 接收即分别安置在基准站和流动站上。 当基准站同时为多用户服务的时候，应采用双频 GPS 接收机。 2 数据传输系统 数据传 输系统（数据链），又基准站的数据发射装置与流动站数据接收装置组成，它是实现实时动态测量的关键性设备。 其稳定性以来高频数据传输设备的可靠性和抗干扰性。 为了保证足够的数据传输距离及信号强度，一般在基准站还需要附加功率放大设备。 3 软件解算系统 实时动态定位测量的软件解算袭用对于保障实时动态测量结果的精确性与可靠性具有决定性的作用。 以载波相位为观测量的实时动态测量，其主要问题在于，载波相位初始整周未知数的精密确定，流动观测中对卫星的连续跟踪，以及失锁后的重新初始化问题。 目前，由于快速解算和动态解算整周未知数技术 的饿发展，为实时动态测量的实施奠定了基础。 实时动态测量的软件系统，应具有的基本功能是 ： ① 快速解算 /动态快速解算整周未知数 ② 根据相对定位原理，采用一定的数据处理方法（如序贯平差法）实时解算流动站的 WGS84 的三维坐标。 ③ 根据已知的地方坐标转换参数，进行应用坐标系统的转换 ④ 解算结果质量与精度评定 ⑤ 测量结果的显示与绘图、放样功能。 18 167。 野外数据采集即碎部点测量，测量地物点坐标。 碎部测量就是以控制点为基础，测定地物、地貌的平面位置和高程，并将其绘制成地 形图的测量工作。 其实质就是测绘地物和地貌碎部点的平面位置和高程。 碎部测量工作包括两个过程：一是测定碎部点的平面位置和高程，二是利用地图符号在图上绘制各种地物和地貌。 1 过去，测量时使用皮尺、刚尺拉距离，经纬仪测量角度的方法进行测量。 后来红外测距仪的出现，改变了我们的测距工作。 但是这种方法的效率太低，因为他没有真正意义的将距离测量与方向测量同时一起进行，直到全站仪的出现，这一作业方式在得以改变。 全站仪（ TPS）是一种集激光、计算机、微电子通讯、精密机械加工等高精尖技术于一体的先进测量仪器，他可以方便、高 效、可靠的完成多种测量工作，具有常规测量仪器无法比拟的优点。 由于全站仪是一种高度继承的设备，可以同时完成距离和方向的测量工作，大大的提高了工作效率，节省了时间，并且可以实现从外业到内业的自动化数值处理，速度快。 但是，全站仪也有其不足之处，其缺点是对于老城区、商业密集区、街坊内部的隐蔽地，无法进行数据采集，且效率低、成本高。 它适用于规划整齐、通视良好的大面积地区。 其主要步骤： (1) 测站的设置和检核 测站的设置即安置仪器，包括对中、整平、定向，输入测站点的坐标、高程和仪器高等。 为确保设站正确，必须要选择其 它已知点作检核，不通过检核不能继续测量。 (2) 碎部点测量 2 地面数字测图最常用的碎部测量方法是极坐标法，分别观测碎部点的方向值、垂直角、斜距、给出镜高。 用全站仪测量则可直接显示碎部点坐标，此时，用户输入点号和编码后，数据可直接存储在全站仪的 PC。