RTK靜態(tài)控制測量原理方法

1、RTK靜態(tài)控制測量原理方法RTK靜態(tài)控制測量原理方法一、RTKRTK靜態(tài)控制測量的原理RTK是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS測量，它能夠?qū)?時地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的厘米級精度的三維定位結(jié)果。RTK測量系統(tǒng)通常由三部分組成，即GPS信號接收部分（GPS接收機及天 線）、實時數(shù)據(jù)傳輸部分（數(shù)據(jù)鏈，俗稱電臺）和實時數(shù)據(jù)處理部分（GPS控制器及其隨機實時數(shù)據(jù)處理軟件）。RTK測量是根據(jù)GPS的相對定位理論， 將一臺接收機設(shè)置在己知 點上 （基準(zhǔn)站），另一臺或幾臺接收機放在待測點上（移動站），同步 采集相同衛(wèi)星的信號?；鶞?zhǔn)站在接收GPS信號并進行載波相位測量 的同時，通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值、

2、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)和測站坐標(biāo)信息一 起傳送給移動站;移動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，然后利 用GPS控制器內(nèi)置的隨機實時數(shù)據(jù)處理軟件與本機采集的GPS觀測 數(shù)據(jù)組成差分觀測值進行實時處理，實時給出待測點的坐標(biāo)、高程 及實測精度，并將實測精度與預(yù)設(shè)精度指標(biāo)進行比較，一旦實測精 度符合要求，手簿將提示測量人員記錄該點的三維坐標(biāo)及其精度。 作業(yè)時，移動站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài);可在已知點上 先進行初始化后再進入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并 在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊值的搜索求解。在整周模糊值固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持4顆以上衛(wèi)星相位觀測 值的跟蹤和必要的幾何圖形

3、，則移動站可隨時給出待測點的厘米級 的三維坐標(biāo)。二、RTKRTK靜態(tài)控制測量的使用方法1控制點的布設(shè)為了達到GPS測量高精度、高效益的目的，減少不必要的耗費， 在測量中遵循這樣的原則：在保證質(zhì)量的前提下，盡可能地提高效率、 降低成本。所以對GPS測量各階段的工作，都要精心設(shè)計，精心組 織和實施。建議用戶在測量實施前，對整個GPS測量工作進行合理 的總體設(shè)計?？傮w設(shè)計，是指對GPS網(wǎng)進行優(yōu)化設(shè)計，主要是：確定精度指標(biāo), 網(wǎng)的圖形設(shè)計，網(wǎng)中基線邊長度的確定及網(wǎng)的基準(zhǔn)設(shè)計。在設(shè)計中 用戶可以參照有關(guān)規(guī)范靈活地處理，下面將結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的一些資 料對GPS測量的總體設(shè)計簡單地介紹一下。1、 確定精度標(biāo)準(zhǔn)

4、在GPS網(wǎng)總體設(shè)計中，精度指標(biāo)是比較重要的參數(shù)，它的數(shù)值將 直接影響GPS網(wǎng)的布設(shè)方案、觀測數(shù)據(jù)的處理以及作業(yè)的時間和經(jīng) 費。在實際設(shè)計工作中，用戶可根據(jù)所作控制的實際需要和可能， 合理地制定。既不能制定過低而影響網(wǎng)的精度，也不必要盲目追求 過高的精度造成不必要的支出。2、 選點選點即觀測站位置的選擇。 在GPS測量中并不要求觀測站之間相 互通視，網(wǎng)的圖形選擇也比較靈活，因此選點比經(jīng)典控制測量簡便 得多。但為了保證觀測工作的順利進行和可靠地保持測量結(jié)果，用 戶注意使觀測站位置具有以下的條件：1確保GPS接收機上方的天空開闊GPS測量主要利用接收機所接 收到的衛(wèi)星信號，而且接收機上空越開闊，則觀

5、測到的衛(wèi)星數(shù)目越 多。一般應(yīng)該保證接收機所在平而15。以上的范圍內(nèi)沒有建筑物或 者大樹的遮擋。2周圍沒有反射而，如大而積的水域，或?qū)﹄姶挪ǚ瓷洌ɑ蛭眨?強烈的物體（如玻璃墻，樹木等），不致引起多路徑效應(yīng)。3遠(yuǎn)離強電磁場的干擾。GPS接收機接收衛(wèi)星廣播的微波信號，微波信號都會受到電磁場 的影響而產(chǎn)生噪聲，降低信噪比，影響觀測成果。所以GPS控制點 最好離開高壓線、微波站或者產(chǎn)生強電磁干擾的場所。鄰近不應(yīng)有 強電磁輻射源，如無線電臺、電視發(fā)射天線、高壓輸電線等，以免 干擾GPS衛(wèi)星信號。通常，在測站周圍約200m的范圍內(nèi)不能有大功 率無線電發(fā)射源（如電視臺、電臺、微波站等） ；在50m內(nèi)不能有高

6、壓 輸電線和微波無線電信號傳遞通道。觀測站最好選在交通便利的 地方以利于其它測量手段聯(lián)測和擴展；地而基礎(chǔ)穩(wěn)固，易于點的保存。注意：用戶如果在樹木、覘標(biāo)等對電磁波傳播影響較大的物體下 設(shè)觀測站，當(dāng)接收機工作時，接收的衛(wèi)星信號將產(chǎn)生畸變，這樣即 使采集時各項指標(biāo)，如觀測衛(wèi)星數(shù)、D0P值等都較好，但觀測數(shù)據(jù) 質(zhì)量很差。建議用戶可根據(jù)需要在GPS點大約300米附近建立與其通視的方 位點，以便在必要時采用常規(guī)經(jīng)典的測量方法進行聯(lián)測。在點位選好后，在對點位進行編號時必須注意點位編號的合理性, 在野外采集時輸入的觀測站名由四個任意輸入的字符組成，為了在 測后處理時方便及準(zhǔn)確，必須不使點號重復(fù)。建議用戶在編號

7、時盡 量采用阿拉伯?dāng)?shù)字按順序編號。3、基線長度GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號量測可達毫米級的精度。但是，由 于衛(wèi)星信號在大氣傳播時不可避免地受到大氣層中電離層及對流層 的擾動，導(dǎo)致觀測精度的降低。因此在使用GPS接收機測量時，通 常采用差分的形式，用兩臺接收機來對一條基線進行同步觀測。在 同步觀測同一組衛(wèi)星時，大氣層對觀測的影響大部分都被抵消了。 基線越短，抵消的程度越顯著，因為這時衛(wèi)星信號通過大氣層到達 兩臺接收機的路徑幾乎相同。同時，當(dāng)基線越長時，起算點的精度對基線的精度的影響也越大。 起算點的精度常常影響基線的正常求解。因此，建議用戶在設(shè)計基線邊時，應(yīng)兼顧基線邊的長度。通常， 對于單頻接收

8、機而言，基線邊應(yīng)以20公里范圍以內(nèi)為宜。基線邊過 長，一方而觀測時間勢必增加，另一方面由于距離增大而導(dǎo)致電離 層的影響有所增強。4、提高GPS網(wǎng)可靠性的方法可以通過下面的一些方法提高GPSGPS網(wǎng)的可靠性：1、增加獨立基線數(shù)在布設(shè)GPS網(wǎng)時，適當(dāng)增加觀測時段數(shù)，對于提高GPS網(wǎng)的可靠 性非常有效。因為隨著觀測時段數(shù)的增加，所測得的獨立基線數(shù)就 會增加，而獨立基線數(shù)的增加對網(wǎng)的可靠性的提高是非常有效的。2、保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)保證一定的重復(fù)設(shè)站次數(shù)，可確保GPS網(wǎng)的可靠性。一方面，通 過在同一測站上的多次觀測，可有效地發(fā)現(xiàn)設(shè)站、對中、整平、量 測天線高等人為錯誤;另一方面，重復(fù)設(shè)站次數(shù)的增加，

9、也意味著觀 測期數(shù)的增加。不過需要注意的是，當(dāng)同一臺接收機在同一測站上 連續(xù)進行多個時段的觀測時，各個時段間必須重新安置儀器，以更 好地消除各種人為操作誤差和錯誤。3、保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連。保證每個測站至少與三條以上的獨立基線相連，這樣可以使得測 站具有較高的可靠性，在布設(shè)GPS網(wǎng)時，各個點的可靠性與點位無 直接關(guān)系，而與該點上所連接的基線數(shù)有關(guān)，點上所連接的基線數(shù) 越多點的可靠性則越高。4、在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條在布設(shè)GPS網(wǎng)時，檢查GPS觀測值基線向量質(zhì)量的最佳方法是異 步環(huán)閉合差。而隨著組成異步環(huán)的基線向量數(shù)的增加，其檢驗質(zhì)量 的能力將逐漸下降

10、，因此，要控制最小異步環(huán)的邊數(shù)。所謂最小異步閉合環(huán)，即構(gòu)成閉合環(huán)的基線邊是異步的，且邊數(shù) 又是最少的。5、提高GPS網(wǎng)精度的方法可以通過下列方法提高GPS網(wǎng)的精度：為保證GPS網(wǎng)中各相鄰點具有較高的相對精度，對網(wǎng)中距離較近 的點一定要進行同步觀測，以獲得它們間的直接觀測基線；為提高整個GPS網(wǎng)的精度，可以在全面網(wǎng)之上布設(shè)框架網(wǎng)，以框 架網(wǎng)作為整個GPS網(wǎng)的骨架；在布網(wǎng)時要使網(wǎng)中所有最小異步環(huán)的邊數(shù)不大于6條；若要采用高程擬合的方法測定網(wǎng)中各點的正常高/正高，則需在 布網(wǎng)時選定一定數(shù)量的水準(zhǔn)點。水準(zhǔn)點的數(shù)量應(yīng)盡可能的多，且應(yīng) 在網(wǎng)中均勻分布，還要保證有部分點分布在網(wǎng)中的四周，將整個網(wǎng) 包含在其中

11、；為提高GPS網(wǎng)的尺度精度，可采用增設(shè)長時間、多時段的基線向 量。6、布設(shè)GPS網(wǎng)時起算點的選取與分布若要求所布設(shè)的GPS網(wǎng)的成果與舊成果吻合最好，則起算點數(shù)量 越多越好。若不要求所布設(shè)的GPS網(wǎng)的成果完全與舊成果吻合，則 一般可選35個起算點，這樣既可以保證新老坐標(biāo)成果的一致性， 也可以保持GPS網(wǎng)的原有精度。為保證整網(wǎng)的點位精度均勻， 起算點一般應(yīng)均勻地分布在GPS網(wǎng) 的周圍。要避免所有的起算點分布在網(wǎng)中一側(cè)的情況或連成一線的 情況。2 2、GPSGPS基線解算1、基線解算的步驟基線解算的過程，實際上主要是一個利用最小二乘法進行平差的 過程。平差所采用的觀測值主要是雙差觀測值。在基線解算時

12、，平 差要分五個階段進行。第一階段，根據(jù)三差觀測值，求得基線向量 的初值。第二階段，根據(jù)初值及雙差觀測值進行周跳修復(fù)。第三階 段進行雙差浮點解算，解算出整周未知數(shù)參數(shù)和基線向量的實數(shù)解。 第四階段將整周未知數(shù)固定成整數(shù)，即整周模糊度固定。在第五階 段，將確定了的整周未知數(shù)作為己知值，僅將待定的測站坐標(biāo)作為 未知參數(shù)，再次進行平差解算，解求出基線向量的最終解-整數(shù)解。2、重復(fù)基線的檢查同一基線邊觀測了多個時段得到的多個基線邊稱為重復(fù)基線邊。 對于不同觀測時段的基線邊的互差， 其差值應(yīng)小于相應(yīng)級別規(guī)定精 度的22倍。 而其中任一時段的結(jié)果與各時段平均值之差不能超過相 應(yīng)級別的規(guī)定精度。我們在進行基

13、線處理時經(jīng)常會遇到重復(fù)基線檢查不合格的情況。 而造成這種情況的主要有以下幾種情況：1、在架設(shè)儀器時由于對中 整平的誤差造成（該種情況一般對短基線影響很大），處理該種情況 時需要在出外業(yè)前對基座進行檢查并且進行外業(yè)觀測架設(shè)儀器時嚴(yán) 格對中整平。2、由于點號及儀器高輸錯、或外業(yè)記錄時出錯造成 （這種情況最為普遍，并且由于該種情況還會造成異步環(huán)搜索時異步 環(huán)不閉合），一般來說在軟件上比較好檢查出出錯的觀測點，例如我 們可以在軟件上查看觀測數(shù)據(jù)通過觀測數(shù)據(jù)的初始經(jīng)緯度來判定點 號是否出錯。在搜索異步環(huán)時往往超限數(shù)據(jù)非常大。對于這種情況的處理一定要嚴(yán)格外業(yè)觀測手簿的記錄。3、閉合環(huán)搜索在GPS測量中，為

14、了檢驗GPS野外實測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，往往需要計 算GPS網(wǎng)中同步環(huán)或異步環(huán)閉合差。為了使精度評估更準(zhǔn)確，往往需要刪除一些重復(fù)基線，通常的軟 件都要求手工輸入，若網(wǎng)較復(fù)雜，則工作量就非常龐大，而且錯誤、 遺漏也就難以避免。實際上，在軟件中，可以結(jié)合圖論的有關(guān)知識, 采用深度優(yōu)先搜索的方法搜索整個GPS網(wǎng)中的最小獨立閉合環(huán)、最 小獨立異步閉合環(huán)、最小獨立同步閉合環(huán)以及手工選定環(huán)路和重復(fù) 基線。所謂最小獨立閉合環(huán)，具有以下幾方面的含義：閉合環(huán)必須是最小的，即邊數(shù)是最少的；閉合環(huán)必須是獨立的。4、GPS基線向量網(wǎng)平差在一般情況下，多個同步觀測站之間的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)基線向量解 算后，用戶所獲得的結(jié)果一般是觀測

15、站之間的基線向量及其方差與 協(xié)方差。再者，在某一區(qū)域的測量工作中，用戶可能投入的接收機 數(shù)總是有限的，所以，當(dāng)布設(shè)的GPS網(wǎng)點數(shù)較多時，則需在不同的 時段，按照預(yù)先的作業(yè)計劃，多次進行觀測。而GPS解算不可避免 地會帶來誤差、粗差以及不合格解。在這種情況下，為了提高定位 結(jié)果的可靠性，通常需將不同時段觀測的基線向量連接成網(wǎng)， 并通 過觀測量的整體平差， 以提高定位結(jié)果的精度。 這樣構(gòu)成的GPS網(wǎng), 將含有許多閉合條件， 整體平差的目的， 在于清除這些閉合條件的 不符值，并建立網(wǎng)的基準(zhǔn)。另外，不管是靜態(tài)解算還是動態(tài)解算，都是在WGS-84坐標(biāo)系下 進行的，而己有的經(jīng)典地而控制網(wǎng)規(guī)模大， 資料豐富

16、;或者， 用戶只 進行小范圍的測量，需要的僅僅是局部平面坐標(biāo);加之，GPS單點定 位的坐標(biāo)精度較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高精度測量的要求。而且，通常 用戶需要的是國家坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)（或投影坐標(biāo)）或地方坐標(biāo)系 下的投影坐標(biāo)，高程坐標(biāo)也不再是大地高（橢球高），而是水準(zhǔn)高（正 高）。有時還需要通過高精度GPS網(wǎng)與經(jīng)典地面網(wǎng)的聯(lián)合處理，加強 和改善經(jīng)典地而網(wǎng)，以滿足用戶的需要。這樣就需要將WGS-84之間 的坐標(biāo)增量轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)中去，從而得到用戶所需要的坐標(biāo)。由 于坐標(biāo)系之間的系統(tǒng)參數(shù)不一樣以及水準(zhǔn)異常等原因，這種轉(zhuǎn)換理 所當(dāng)然地會帶來誤差。根據(jù)平差所進行的坐標(biāo)空間， 可將GPS網(wǎng)平差分為三維平差和二

17、維平差。根據(jù)平差時所采用的觀測值和起算數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型，可 將平差分為無約束平差約束平差和聯(lián)合平差等。所謂三維平差是指平差在空間三維坐標(biāo)系中進行。觀測值為三維 空間中的觀測值，解算出的結(jié)果為點的三維空間坐標(biāo)。GPS網(wǎng)的三 維平差，一般在三維空間直角坐標(biāo)系或三維空間大地坐標(biāo)系下進行。 所謂二維平差，是指平差在二維平面坐標(biāo)系下進行，觀測值為二維 觀測值，解算出的結(jié)果為點的二維平面坐標(biāo)。所謂無約束平差，指的是在平差時不引入會造成GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非 觀測量所引起的變形的外部起算數(shù)據(jù)。 常見的GPS網(wǎng)的無約束平差, 一般是在平差時沒有起算數(shù)據(jù)或沒有多余的起算數(shù)據(jù)。所謂約束平 差，指的是平差時所采用的觀測值

18、完全是GPS基線向量，而且，在 平差時引入了使得GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測量所引起的變形的外部起算 數(shù)據(jù)。GPS網(wǎng)的聯(lián)合平差，指的是平差時所采用的觀測值除了GPS觀測 值以外，還采用了地而常規(guī)觀測值，這些地面常規(guī)觀測值包括邊長、 方向、角度等觀測值等。3 3、常遇問題的解決辦法1.如何處理不合格基線通過設(shè)置衛(wèi)星高度角、采樣間隔、有效歷元等參數(shù)可以對基線進 行優(yōu)化。1衛(wèi)星高度截止角衛(wèi)星高度角的截取對于數(shù)據(jù)觀測和基線處理都非常重要，觀測較 低仰角的衛(wèi)星有時會因為衛(wèi)星信號強度太弱、信噪比較低而導(dǎo)致信 號失鎖，或者信號在傳輸路徑上受到較大的大氣折射影響而導(dǎo)致整 周模糊度搜索的失敗。但選擇較大的衛(wèi)星高度角可能

19、出現(xiàn)觀測衛(wèi)星 數(shù)的不足或衛(wèi)星圖形強度欠佳，因此同樣不能解算出最佳基線。一般情況下處理基線中高度截止角默認(rèn)設(shè)置為20度。如果同步 觀測衛(wèi)星數(shù)太少或者同步觀測時間不足，對于短基線來說，可以適 當(dāng)降低高度角后重新試算，這樣可能會獲得滿足要求的基線結(jié)果， 此時應(yīng)注意，要求測站的數(shù)據(jù)要穩(wěn)定，且環(huán)視條件要好，解算后的 基線應(yīng)進行外部檢核（如同步環(huán)和異步環(huán)檢核）以保證其正確性。如果用默認(rèn)設(shè)置值解算基線失敗，且連續(xù)觀測時間較長、觀測的 衛(wèi)星數(shù)較多、圖形強度因子GD0P值較小，則適當(dāng)提高衛(wèi)星的高度角 重新進行解算可能會得到較好的結(jié)果，這主要是觀測環(huán)境和低仰角 的衛(wèi)星信號產(chǎn)生了較嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)和時間延遲所引起的

20、。2采樣間隔一般的接收機具有較高的內(nèi)部采樣率（指野外作業(yè)設(shè)置的數(shù)據(jù)采 集間隔，由1秒至255秒自由設(shè)置，默認(rèn)為15秒）。而處理基線中 并不是所有的數(shù)據(jù)都參與處理， 而是從中根據(jù)優(yōu)化原則選取其中一 部分的數(shù)據(jù)采樣進行處理。采集高質(zhì)量的載波相位觀測值是解決周 跳問題的根木途徑，而適當(dāng)增加其采集密度，又是診斷和修復(fù)周跳 的重要措施，因此在采用快速靜態(tài)作業(yè)或者該基線觀測時間較短的 情況下，可以適當(dāng)把采樣間隔縮短。3無效歷元在某些情況下，例如該衛(wèi)星的健康情況惡劣;或者測站環(huán)境不理 想、受電磁干擾而導(dǎo)致某些衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號經(jīng)常失鎖;又或者低仰角的 衛(wèi)星有時會因為衛(wèi)星信號強度太弱、信噪比較低而導(dǎo)致信號失鎖， 或

21、者信號在傳輸路徑上受到較大的大氣折射影響而導(dǎo)致整周模糊度 搜索的失敗。此時應(yīng)該對該衛(wèi)星的星歷進行處理。通過查看基線詳解，可以對衛(wèi)星觀測中周跳的情況進行檢查，對 于失鎖次數(shù)較多的衛(wèi)星或者觀測歷元數(shù)過少的衛(wèi)星進行剔除。2如何確定坐標(biāo)系統(tǒng)1標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的WGS-84、 北京54以及國家80坐標(biāo)系可以直接在網(wǎng) 平差設(shè)置里選擇，但是必須按要求輸入正確的原點經(jīng)度（投影中央子 午線）。2自定義坐標(biāo)系統(tǒng)（或者工程橢球）己知參數(shù)一般的自定義坐標(biāo)系（或工程橢球）是從標(biāo)準(zhǔn)的國家坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換而 來，大多數(shù)情形下是對加常數(shù)或者中央子午線、投影橢球高重新進 行定義，因此必須選擇相應(yīng)的參數(shù)，包括所用橢球的參數(shù)、加常數(shù)、 投影中央子午線、投影橢球高等。未知參數(shù)假如是完全獨立自定義的工程坐標(biāo)系，尤其是沒有辦法與國家點 聯(lián)測、又或者投影變形超過規(guī)范要求的， 可以選用標(biāo)準(zhǔn)橢球， 例如 北京54橢球參數(shù)，然后采用