1、第九章第九章 GPS实时动态定位原理实时动态定位原理 第一节第一节 RTK概述概述 第二节第二节 RTK系统基准站的组成和作用系统基准站的组成和作用 第三节第三节 RTK流动站的组成和作用流动站的组成和作用 第四节第四节 RTK定位测量的外业准备工作定位测量的外业准备工作 第五节第五节 RTK的作业方法的作业方法 第六节第六节 GPS网络网络RTK技术技术 用用RTK技术进行工程测量技术进行工程测量摄影测量控制点加密摄影测量控制点加密安徽黄山公路比较线测量安徽黄山公路比较线测量第一节 RTK概述 载波相位差分法载波相位差分法 差分法差分法:修正法修正法:将基准站采集的载波相位将基准站采集的载波
2、相位发送给用户，进行求差解发送给用户，进行求差解算坐标。算坐标。将基准站的载波相位修正将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解接收到的载波相位，再解求坐标。求坐标。RTK（Real-Time-Kinematic）技术是）技术是GPS实时实时载波相位差分的简称。载波相位差分的简称。一、RTK的工作原理 基准站接收机基准站接收机 流动站接收机流动站接收机 GPS卫星卫星 如如图图91所示所示图图91 RTK的工作原理的工作原理1.实时差分实时差分GPS，精度为，精度为13m；2.广域实时差分广域实时差分GPS，精度为，精度为12m；3.精密差分精密差
3、分GPS，精度为，精度为15cm；4.实时精密差分实时精密差分GPS，精度为，精度为13cm。以采用值的类以采用值的类型为依据可分型为依据可分为为4类：类：RTK的观测模型为：的观测模型为：()()TttropionralcddNddd 式中：式中：为相位测量值，单位为为相位测量值，单位为m；为星站间的几何距离；为星站间的几何距离；为光速；为光速；接收机钟差；接收机钟差；卫星钟差；卫星钟差；为载波相位波长；为载波相位波长；为整周未知数；为整周未知数；为对流层折射影响；为对流层折射影响；为电离层折射影响；为电离层折射影响；为相对论效应；为相对论效应；为观测噪声参数为观测噪声参数。cTdtdNtr
4、opdiondreld()二、二、RTK的系统组成的系统组成.12 60.1abcVARTKaGPSbcTSC基准站GPS接收机及接收天线1.基准站无线电数据链电台及发射天线直流电源系统的组成流动站接收机及接收天线2.流动站无线电数据链接收机及天线控制器及软件第二节第二节 RTK系统基准站的组成和作用系统基准站的组成和作用 RTK系统基准站由基准站系统基准站由基准站GPS接收机接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成。射天线、直流电源等组成。如如图图9-2所示：所示：图图9-2 Trimble4800GPSRTK基准站配置图基准站配置
5、图认识基准站接收机v S/N号码：以偶数结尾。v用途：提供给移动站需要的差分解算数据。将卫星观测数据和 v 起算坐标发送给移动站。v功能：电台+GPRS功能。v可选配既可做基准站也可做移动站的多功能接收机。GPSRTK作业能否顺利进行，关键的作业能否顺利进行，关键的问题是无线电数据链的稳定性和作用距离是问题是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它和无线电数据链电台本身的否满足要求。它和无线电数据链电台本身的性能，发射天线的类型，参考站的选址，设性能，发射天线的类型，参考站的选址，设备的架设，环境无线电的干扰情况等有直接备的架设，环境无线电的干扰情况等有直接的关系。的关系。参考站发射天线
6、和流动站接收天线之间无遮参考站发射天线和流动站接收天线之间无遮挡信号的障碍物，这些障碍物在陆地上主要由地挡信号的障碍物，这些障碍物在陆地上主要由地形、建筑物、无线电信号发射台等；在海上则主形、建筑物、无线电信号发射台等；在海上则主要是地球曲率的影响。为了尽量避免参考站设备要是地球曲率的影响。为了尽量避免参考站设备之间相互干扰，在作业时，大于之间相互干扰，在作业时，大于25W的数据链电的数据链电台发射天线距离台发射天线距离GPS接收天线至少接收天线至少2m，最好，最好6m以以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。形成新的干扰源。为了尽
7、量避免参考站设备之间相互干扰，为了尽量避免参考站设备之间相互干扰，在作业时，大于在作业时，大于25W的数据链电台发射天线距的数据链电台发射天线距离离GPS接收天线至少接收天线至少2m，最好，最好6m以上；发射天以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。干扰源。华测华测RTK数据链无线电发射机数据链无线电发射机(DL3)的工作频率为的工作频率为UHF频段（频段（450470MHZ），当功率一定时，发射距），当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加，如下式所示：离随天线高度增加而增加，如下式所示：124.24HH发 射 距 离（半 径）（
8、）式中：式中：4.24为天宝经验值；为天宝经验值；H1 电台的天线高；电台的天线高；H2 流动站的天线高；流动站的天线高；（式（式91）例：天宝例：天宝4800GPS接收机使用的接收机使用的TRIMMRK无无线电数据链电台发射功率为线电数据链电台发射功率为25W，电台天线高为，电台天线高为9m，流动站的天线高为，流动站的天线高为2m，试计算流动站工作，试计算流动站工作的最远距离？的最远距离？解：已知解：已知H1=9 m，H2=2m，根据公式可计算出流动站在，根据公式可计算出流动站在开阔地带工作的最远距离为：开阔地带工作的最远距离为：4.249218.71()km发 射 距 离（半 径）（）注：
9、该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值，实际注：该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值，实际上要根据实地情况来确定，要留有余量，根据经验，在城上要根据实地情况来确定，要留有余量，根据经验，在城市要将电台天线架设在高楼顶上，才可能达到市要将电台天线架设在高楼顶上，才可能达到10公里左右公里左右的距离。的距离。第三节第三节 RTK流动站的组成和作用流动站的组成和作用 流动站的组成如流动站的组成如图图所示所示 流动站的作用：流动站的作用：从基准站接收到的信号由从基准站接收到的信号由流动站的流动站的UHF电台接收，流动电台接收，流动站同时也接收相同的卫星信号站同时也接收相同的卫星信号，用配备的电子
10、手簿控制器进，用配备的电子手簿控制器进行实时解算。行实时解算。流动站数据链电台的功率为流动站数据链电台的功率为2W，其电，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。源和卫星接收机共用，不需另配电池。基准站基准站GPS接收机与电台之间的数据传输接收机与电台之间的数据传输波特率为波特率为9600，DL3电台与流动站电台与流动站GPS接收机接收机之间的数据传输波特率为之间的数据传输波特率为9600，流动站中的，流动站中的UHF数据链电台与流动站数据链电台与流动站GPS接收机之间的数接收机之间的数据传输波特率均为据传输波特率均为9600。1.基准站可以安置在已知点上，也可以不安置基准站可以安置在已知点上，
11、也可以不安置在已知点上。若安置在已知点上，则输入已知点的在已知点上。若安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成转换成BJ54或或其它坐标系）。其它坐标系）。为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整为了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检测校对，选择的个测区选择高精度的控制点进行检测校对，选择的控制点应有代表性，均匀地分布在整个测区。控制点应有代表性，均匀地分布在整个测区。2.基准站若安置在未知点上（在城市测量中，基准站若安置在未知点上（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据有时为了控制更远和更大的范围，根
12、据RTK的特点，的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启动基准站时，则需输入该点的动基准站时，则需输入该点的WGS84坐标，进坐标，进行坐标的转换（行坐标的转换（WGS84转换成转换成BJ54或其它坐标或其它坐标系）。求得系）。求得WGS84坐标的方法是：开机后，在坐标的方法是：开机后，在TSCE控制器上经过初始化操作后，显示一软键控制器上经过初始化操作后，显示一软键 here（译成汉语为（译成汉语为“此处此处”），直接按该键即可），直接按该键即可求得该点的求得该点的WGS84坐标。坐标。3.虽然虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已定位
13、测量的基准站可以不放在已知点上，但测区内还必须有已知控制点，而且定知点上，但测区内还必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关，位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关，在安置好基准站并启动流动站后，必须用流动站在安置好基准站并启动流动站后，必须用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比，求出其差值，若差然后与该点的原有坐标相比，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须将该点的原有坐标输入到必须将该点的原有坐标输入到TSCE控制
14、器中，进控制器中，进行改正。行改正。.测区内仅有一个已知控制点的情况：测区内仅有一个已知控制点的情况：理论上讲，在半径为理论上讲，在半径为10km的范围内，可达到的范围内，可达到25cm左右精度。左右精度。10km如如图图94所示：所示：图图9-4 一个已知点一个已知点.测区附近有二个已知控制点的测区附近有二个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）：情况（必须为整体平差结果）：图图9-5 两个已知点两个已知点如如图图95所示：所示：.测区附近有三个已知控制点的测区附近有三个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）：情况（必须为整体平差结果）：如如图图96所示：所示：工作区工作区图图9-6 三个已
15、知点的工作范围三个已知点的工作范围.测区附近有四个已知点的情况测区附近有四个已知点的情况（必须为整体平差结果）：（必须为整体平差结果）：如如图图97所示：所示：图图9-7 四个已知点的工作范围四个已知点的工作范围 工作区工作区第四节第四节 RTK定位测量的外业准备工作定位测量的外业准备工作 RTK定位测量外业准备的过程如下：定位测量外业准备的过程如下：1.外业踏勘外业踏勘 2.收集资料收集资料 3.制定观测计划制定观测计划 4.星历预报星历预报 5.器材准备器材准备6.运输工具运输工具第五节第五节 RTK的作业方法的作业方法RTK定位测量实施的具体方法如下：定位测量实施的具体方法如下：一一.架
16、设基准站架设基准站 将基准站将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，架接收机安置在开阔的地方，架设脚架、安置基座和卫星天线，对中整平，用天设脚架、安置基座和卫星天线，对中整平，用天线高量尺在天线相隔线高量尺在天线相隔120的三个位置量取天线的三个位置量取天线高，并记录，如高，并记录，如图图97所示。所示。图图9-9 基准站基准站GPS接接收机安置和量取天线高收机安置和量取天线高 启动基准站启动基准站v自启动 基准站若是设置为自启动，架设好仪器开机后，无需操作，差分数据自动发送。v手簿启动 第一步 设置基准站选项【配置】【基准站选项】通常按默认配置如图：广播格式：CMR+测站索引：1（可设置0-3
17、1之间的任何整数，用于区分多台基准站同时工作的情况）PDOP限制：6（当卫星分布不好，PDOP大于6时，基站不能启动）高度角：10（设置基准站接收机只跟踪高于10视域角的卫星）架设在已知点时需输入天线高、选择天线类型及量测方法。启动基准站启动基准站v第二步第二步 启动基准站接收机启动基准站接收机【测量】-【启动基准站接收机】未知点启动时：点击此处此处，输入基准站点名称，以任意单点定位值启动基准站。已知点启动时：点击列表列表，从已键入的已知坐标点中选择点启动基准站。代码、天线高根据实际情况输入，或默认空，设置好启动坐标后点击确定。基准站启动成功后，显示基准站启动成功后，显示“成成功设置了基站！功
18、设置了基站！”，这时电台发，这时电台发射灯也会随发送间隔闪烁。否则射灯也会随发送间隔闪烁。否则显示显示“设置基站不成功！设置基站不成功！”，需，需重新启动基准站（一般来说，用重新启动基准站（一般来说，用已知点启动时，如果输入的已知已知点启动时，如果输入的已知点和单点定位相差很大时，会出点和单点定位相差很大时，会出现此情况，造成原因一般为设置现此情况，造成原因一般为设置中央子午线或所用坐标错误）。中央子午线或所用坐标错误）。三三.启动流动站启动流动站 S/N号码：以奇数结尾。号码：以奇数结尾。用途：根据基准站传送过来的数据进行实时的差分解算用途：根据基准站传送过来的数据进行实时的差分解算功能：电
19、台功能：电台+GPRS功能功能可选配既可做基准站也可做移动站的多功能接收机可选配既可做基准站也可做移动站的多功能接收机移动站接收机的设置移动站接收机的设置 打开数据下载软件（下载软件与接收机的连接见“附1”），进入菜单【工具】-【接收机设置】如图进行相应设置后点击应用。对于华测新产品具有自启动功能的对于华测新产品具有自启动功能的X90D型号移动站，需要设置为型号移动站，需要设置为“自启动自启动移动站移动站”，如图。，如图。内置电台和GPRS的设置 v【配置】-【移动站参数】-【内置电台和GPRS】。v根据实际工作情况，电台和GPRS可以互相切换，设置如图。提示提示实际工作中，移动站只能通过切换
20、电台和GPRS的一种方式接收差分数据，同时用两种方式接收差分数据是不能工作的。设置完毕后，注意观察信号灯是否正常闪烁，证明已实时收到基准站发送过来的差分数据。仪仪器器架架设设启动移动站启动移动站 v【测量测量】【启动移动站接收机启动移动站接收机】v移动站收到差分信号后会有一个移动站收到差分信号后会有一个“单点定位单点定位”-“浮动浮动”-“固定固定”的的RTK初始化过程。初始化过程。点校正点校正 vGPS接收机直接测量数据是WGS-84经纬度坐标，而我们要求的坐标是施工坐标（如北京54坐标），所以必须通过软件进行坐标转换参数的计算，“点校正”就是完成这一工作的主要工具。【测量】【点校正】v点击
21、增加增加，在网格点名称网格点名称和GPS点名称点名称两项控件里分别选中已知当地平面坐标和已有或实测的WGS84坐标，校正方法选中“水平和垂直”。v重复点击增加增加，加入必要数量的校正点（要求水平精度，至少3个点；要求高程精度，至少4个点）。v点击计算计算得出校正参数，再点击确定确定完成校正。注意注意 有三个或以上控制点参与平面有三个或以上控制点参与平面“点校正点校正”后才有水平参差，后才有水平参差，水平参差一般不要大于水平参差一般不要大于0.015m；有四个或以上的控制点参；有四个或以上的控制点参与垂直与垂直“点校正点校正”后才有垂直参差，垂直参差一般不要大后才有垂直参差，垂直参差一般不要大于
22、于0.02m。v在一次测量任务中，由于电台信号传播受限制也许会架设几次基准站来在一次测量任务中，由于电台信号传播受限制也许会架设几次基准站来完成测量任务。所以需要用到完成测量任务。所以需要用到“重设当地坐标重设当地坐标”的功能。的功能。v方法1：基准站2若是架设在未知点（自启动，或手簿“此处”启动”），那么将移动站再次去测量一个在基准站1下测过的精度较高的点a，重新测量命名为a2，点击【文件】【元素管理器】【点管理器】，在基准站2下面选中a2点，双击或点击细节，点击重设当地坐标，再点击出现控件在弹出的列表中选中基准站1下测得的a点，确定后即完成重设当地坐标的工作。重设当地坐标重设当地坐标 v方
23、法方法2：基准站2若是架设在已知点（包括基准站1下测过的点），那么可以通过手簿已知点启动的方式,选择基准站2所在已知坐标点来启动基准站，并且输入实测的基站天线高。v方法方法3：基准站2若是架设在已知点（包括基准站1下测过的点），启动方式为自启动，那么可以点击在【点管理器】里面选中基准站2点击细节，将“基站校正类型”设置为“架设在已知点”，输入已知坐标、实测天线高及测量方法，确定后即完成坐标改正操作。v注意注意v基准站若是自启动的方式，因断电重开机后，即使基准站位置没变，也需要做重设当地坐标的工作。v基准站若是自启动的方式，移动站需要在手簿上有测量点的操作后，才会在【点管理器】里面记录下基准站信
24、息。四四.开始测量，可以分为几种形式：开始测量，可以分为几种形式：（1）测量点（）测量点（Measure points）【测量【测量 测量点】测量点】测量点方法分为地形点（默认为测量点方法分为地形点（默认为5秒）、控制点（默认秒）、控制点（默认为为180秒）、快速点（默认为秒）、快速点（默认为1秒），测量一个点的时间可秒），测量一个点的时间可以改变，最小显示为以改变，最小显示为1秒。在选项里可以改变测量点的容许秒。在选项里可以改变测量点的容许精度，是否自动保存测量的点等。精度，是否自动保存测量的点等。注：当测量时，只有设置的精度大于注：当测量时，只有设置的精度大于RTK固定时显示的水平和垂直精
25、度固定时显示的水平和垂直精度时，才可以测量出所需要的值。时，才可以测量出所需要的值。连续地形连续地形v【测量测量连续地形连续地形】常规点放样常规点放样【测量【测量点放样点放样常规点放样】常规点放样】输入单一点名称：直接输入需放样的点名称；输入单一点名称：直接输入需放样的点名称；从列表中选择：从点管理器中选择需放样的点；从列表中选择：从点管理器中选择需放样的点；所有键入点：放样点界面上会导入全部的键入点；所有键入点：放样点界面上会导入全部的键入点；半径范围内的点：选择中心点及输入相应的半径半径范围内的点：选择中心点及输入相应的半径,则会导入符合条件的则会导入符合条件的 点；点；所有点：将导入点管
26、理器中所有的点；所有点：将导入点管理器中所有的点；相同代码点：将导入所有具有该相同代码的点。相同代码点：将导入所有具有该相同代码的点。第六节第六节 GPS网络网络RTK技术技术 GPS网络网络RTK技术的出现，代表了未来技术的出现，代表了未来GPS发展的方向，由此可带来巨大的社会效益发展的方向，由此可带来巨大的社会效益和经济效益。目前应用于和经济效益。目前应用于GPS网络网络RTK数据处数据处理的方法有：虚拟参考站法（理的方法有：虚拟参考站法（Virtual eference StationVRS）、偏导数法、线性内插法和）、偏导数法、线性内插法和条件平差法，其中虚拟参考站法条件平差法，其中虚
27、拟参考站法VRS技术最为技术最为成熟。成熟。一、概述一、概述 VRS系统集系统集GPS、Internet、无线通讯、无线通讯和计算机网络管理技术于一身。整个系统是和计算机网络管理技术于一身。整个系统是由若干个（三个以上）连续运行的由若干个（三个以上）连续运行的GPS基准基准站和一个站和一个GPS网络控制中心构成。网络控制中心构成。二、二、VRS的系统构成及工作原理的系统构成及工作原理 1.VRS的系统构成的系统构成 GPS固定基准站系统固定基准站系统 数据传输系统数据传输系统 GPS网络控制中心网络控制中心 系统数据发播系统系统数据发播系统 用户系统用户系统2.VRS的工作原理的工作原理VRS
28、网络数据流程网络数据流程 参考站网络的硬件构成参考站网络的硬件构成 用户部分就是用户的用户部分就是用户的GPS接收接收机，加上无线通讯的调制解调器。机，加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求，放置在不同根据自己的不同需求，放置在不同的载体上。接收机通过无线网络将的载体上。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息。位置信息。三、三、VRS系统的优势系统的优势 1.VRS系统的覆盖范围大系统的覆盖范围大 2.比传统比传统RTK精度高精度高 3.可靠性提高可靠性提高 4.更广的应用范围更
29、广的应用范围 GPS新阶段新阶段 思考题与习题思考题与习题v1.RTK的系统由哪几部分组成？的系统由哪几部分组成？v2.在免参考站上作业时，数据链电台的发射天线应距离在免参考站上作业时，数据链电台的发射天线应距离GPS接收天线多远，其目的是什么？为什么发射天线与电接收天线多远，其目的是什么？为什么发射天线与电台的连接电缆必须展开？台的连接电缆必须展开？v3.已知已知H1=6 m，H2=2m，则流动站在开阔地带工作的，则流动站在开阔地带工作的最远距离为多少？最远距离为多少？v4.基准站安置在已知点上或安置在未知点上有什么区别？基准站安置在已知点上或安置在未知点上有什么区别？v5.RTK定位测量时，测区内的已知控制点有什么作用？定位测量时，测区内的已知控制点有什么作用？v6.目前应用于目前应用于GPS网络网络RTK数据处理的方法有哪几种数据处理的方法有哪几种?v7.VRS系统的优势有哪些系统的优势有哪些?
