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GPSRTK在地形图测量中的应用毕业论文
GPSRTK在地形图测量中的应用
摘要
本文介绍了GPS全球定位系统的建立,GPS系统的组成,GPS系统的原理,以及GPS导航定位误差,着重介绍了GPSRTK技术的基本原理,RTK的组成及工作条件,RTK测量的精度和误差来源,并结合一个具体例子——阳煤集团和顺化工场面现状场面地形图的测量工作,详细阐述了RTK技术在地形图测量方面的应用,可以有效的提高作业效率和产品质量,并提出RTK技术作业过程中存在的一些问题,RTK技术的优点,在测量方面局限性和今后的发展方向。
关键词:
GPS;RTK技术;地形图测量测量
Abstract
ThisintroducedaGPSglobalpositioningsystem,GPSsystem,thecompositionofGPSsystemstheory,andGPSpositioningerror,highlightsthebasicprinciplesGpsrtktechnology,thecompositionandworkingconditionslanguages,RTKmeasurementprecisionanderrorsourcesandinthecontextofaspecificexample--Yangcoalgroupandchemicalscenesituationscenetopographicsurveywork,elaboratedtheRTKtechnologyintopographicsurveyapplications,surveyingandlinemeasurementsoftheverticalprofileapplicationscaneffectivelyenhancetheoperationalefficiencyandproductquality,andanumberoflanguagesexistinginanumberoftechnicaloperations,RTKtechnologyadvantages,limitationsandmeasurementinthefuturedevelopmentdirection.
Keywords:
GPS;RTK;Surveyingtopographic
一般部分
1绪论
1.1GPS卫星定位系统的产生、发展及应用前景
20世纪60年代第一代卫星导航定位系统——子午卫星系统(Transit)正式建成并投入军用,该系统采用多普勒测量的方法进行导航和定位。
由于其存在的种种局限性,由美国国防部等多家机构组成的联合工作办公室(JPO)提出了一个综合性方案——GPS系统并于20世纪90年代建成并投入运行。
该系统是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统,它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能,而且具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS系统做为新一代的卫星导航定位系统在导航、测绘、资源调查行业带来了一系列革命,并广泛应用于各行各业。
GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem(导航星测时与测距全球定位系统),简称GPS,有时也被称作NAVSTARGPS,是美国国防部建立的卫星定位导航系统。
空间部分设计为21+3颗卫星组成的星座(其中有三颗为备用卫星),这些卫星分布在6个轨道面上,每个轨道面布设4颗卫星,卫星高度为20200km,轨道倾角为55度,卫星运转周期为11时58分(恒星时为12个小时),这样的分布可保证在地球的任何地方可同时看到4-12颗卫星(截止高度角为10度时),从而能够实现地球表面及其上空任何地点、任意时刻的三维坐标、测速、定时。
GPS的发展迄今为止主要经历下面四个阶段:
1、GPS系统的方案论证阶段(1974-1978)
2、GPS系统系统论证阶段(1979-1987)
3、GPS系统建成并进入完全运作能力阶段(1988-1999)
4、GPS系统现代化更新阶段(2000-2010)
GPS发展进程时间一览表:
1957年10月4日
第一颗人造卫星SputnikI发射成功
1958年12月
开始设计NNSS(NavyNavigationSatellitSystem)
–TRANSIT,即子午卫星系统。
1964年1月该系统正式运行
1967年7月
TRANSIT系统解密以供民用
1973年12月
美国国防部批准研制GPS
1978年2月22日
第1颗GPS试验卫星发射成功
1989年2月14日
第1颗GPS工作卫星发射成功
1991年
海湾战争中,GPS首次大规模用于实战
1992年
IGS成立。
(InternationalGPSService,国际GPS服务机构)
1995年7月17日
GPS达到FOC–完全运行能力(FullOperationalCapability)
1999年1月25日
美国副总统戈尔宣布,将斥资40亿美圆,进行GPS现代化
1999年8月21/22日
GPS发生GPS周结束翻转问题
2000年1月1日
Y2K问题
2000年5月1日
美国总统克林顿宣布,GPS停止实施SA。
1.2GPS定位技术的应用现状
如人们所说:
"GPS的应用,仅受人们的想象力制约。
"GPS问世以来,已充分显示了其在导航定位领域的霸主地位。
许多领域也由于GPS的出现而发生了革命性变化。
目前,几乎全世界所有需要导航定位的用户,都被GPS的高精度,全天候,全球覆盖,方便灵活和优质价廉所吸引。
.GPS的应用按其使用领域简单介绍如下
1.GPS应用于测量GPS技术给测绘界带来了一场革命。
利用载波相位差分技术(RTK),在实时处理两个观测站的载波相位的基础上,可以达到厘米级的精度。
与传统的手工测量手段相比,GPS技术有着巨大的优势:
测量精度高;操作简便,仪器体积小,便于携带;全天候操作;观测点之间无须通视;测量结果统一在WGS84坐标下,信息自动接收、存储,减少繁琐的中间处理环节。
当前,GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。
2.GPS应用于交通
出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理,合理分布车辆,以最快的速度响应用户的乘车或送请求,降低能源消耗,节省运行成本。
GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色,在城市中建立数字化交通电台,实时发播城市交通信息,车载设备通过GPS进行精确定位,结合电子地图以及实时的交通状况,自动匹配最优路径,并实行车辆的自主导航。
民航运输通过GPS接收设备,使驾驶员着陆时能准确对准跑道,同时还能使飞机紧凑排列,提高机场利用率,引导飞机安全进离场。
3.GPS应用于救援
利用GPS定位技术,可对火警、救护、警察进行应急调遣,提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。
特种车辆(如运钞车)等,可对突发事件进行报警、定位,将损失降到最低。
有了GPS的帮助,救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠,对失踪人员实施有效的搜索、拯救。
装有GPS装置的渔船,在发生险情时,可及时定位、报警,使之能更快更即使地获得救援。
4.GPS应用于农业
当前,发达国家已开始把GPS技术引入农业生产,即所谓的"精准农业耕作"。
该方法利用GPS进行农田信息定位获取,包括产量监测、土样采集等,计算机系统通过对数据的分析处理,决策出农田地块的管理措施,把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中,从而精确地给农田地块施肥、喷药。
通过实施精准耕作,可在尽量不减产的情况下,降低农业生产成本,有效避免资源浪费,降低因施肥除虫对环境造成的污染。
5.GPS应用于娱乐消遣
随着GPS接收机的小型化以及价格的降低,GPS逐渐走进了人们的日常生活,成为人们旅游、探险的好帮手。
通过GPS,人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地,并且可以最优的路径行驶;野营者携带GPS接收机,可快捷地找到合适的野营地点,不必担心迷路;甚至一些高档的电子游戏,也使用了GPS仿真技术。
1.3我国GPS定位技术的发展和应用
1.3.1我国GPS定位技术的发展
中国成立后,我国的航天科技事业在自力更生、艰苦创业的征途上,逐步建立和发展起来,现已跻身于世界先进水平的行列,成为世界空间强国之一。
从1970年4月把第一颗人造卫星送入轨道以来,我国已成功地发射了三十多颗人造卫星,为空间大地测量工作的开展创造了有利条件。
70年代后期,有关单位在从事多年理论研究的同时,引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。
其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。
根据多年的观测实践,完成了全国天文大地网的整体平差,建立了1980年国家大地坐标系,进行了南海群岛的联测。
80年代初,我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。
十多年来,我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。
80年代中期,我国引进GPS接收机,并应用于各个领域。
同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。
至今十多年来,据有关人士估计,目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右,其中测量类约500—700台,航空类约几百台,航海类约3万多台,车载类数千台。
而且以每年两万台的速度增加。
足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。
1.3.2我国GPS定位技术的应用
在大地测量方面,利用GPS技术开展国际联测,建立全球性大地控制网,提供高精度的地心坐标,测定和精化大地水准面。
组织各部门(10多个单位,30多台GPS双频接收机)参加革命992年全国GPS定位大会战。
经过数据处理,GPS网点地心坐标精度优于0。
2M,点间位置精度优于10-8。
在我国建成了平均边长约为100KM的GPSA级网,提供了亚米级精度地心坐标基准。
此后,在A级网的基础上,我国又布设了边长为此30—100KM的B级网,全国约2500个点。
A、B级GPS网点都联测了几何水准。
这样,就为我国各部门的测绘工作,建立各级测量控制网,提供了高精度的平面和高程三维基准。
我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测,使海岛与全国大地网联成一整体。
在工程测量方面,应用GPS静态相对定位技术,布设精密工程控制网,用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。
加密测图控制点,应用GPS实时动态定位技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。
在航空摄影测量方面,我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。
在地球动力学方面,GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。
我国已开始用兵GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动,建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。
GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。
我国的《全球定位系统(GPS)测量规范》已于己于人1992年10月1日起实施。
此外,在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业,在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域,也都开展了GPS技术的研究和应用。
在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究,研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。
在理论研究与应用开发的同时,培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。
近几年,我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站,进行对GPS卫星的精密定轨,为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务,致力于我国自主的广域差分GPS(WADGPS)方案的建立,参与全球导航卫星系统(GNSS)和GPS增强系统(WAAS)的筹建。
同时,我国已着手建立自己的卫星导航系统(双星定位系统),能够生产导航型GPS接收机。
GPS技术的应用正向更深层次发展。
为了适应GPS技术的应用与发展,1995年成立了中国GPS协会,协会下设四个专业委员会,希望通过广泛的交流与合作,发展我国的GPS应用技术。
2GPS卫星全球定位系统概述
2.1GPS卫星定位系统概论
全球定位系统(GlobalPositionSystem-GPS)是美国国防部主要为满足军事对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。
该系统从本世纪70年代初开始设计、研制,历经约20年,于1993年6月建成,并投入使用。
GPS定位系统由三个部分组成:
GPS卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面控制部分)、GPS信号接收机(用户设备部分),空间星座和地面监控部分由美国国防部控制,用户使用GPS接收机接收卫星信号进行高精度的精密定位以及高精度的时间传递。
目前,二十多颗GPS卫星已覆盖了全球,每颗卫星均在不间断地向地球播发调制在两个频段上的卫星信号。
在地球上任何一点,均可连续地同步观测至少4颗GPS卫星,从而保障了全球、全天候的连续的三维定位。
2.2GPS系统的组成
GPS定位系统由三个部分组成:
GPS卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面控制部分)、GPS信号接收机(用户设备部分)。
各部分的组成如图1-1
图1-1GPS三组成部分关系图
2.2.1GPS工作卫星及其星座
GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成的。
这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座。
其中21为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星,这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。
(如图1-2)
图1-2GPS网
卫星的运行周期约为12恒星时,每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号,GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。
在两万公里高空的GPS卫星,当地球对恒星来说自转一周时,它们绕地球运行二周,即绕地球一周的时间为12恒星时。
这样,对于地面观测者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。
位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同,最少可见到4颗,最多可以见到11颗。
在用GPS信号导航定位时,为了解算测站的三维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为卫星星座。
这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。
对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。
但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。
GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。
其编号方法有:
按发射先后次序编号;按PRN(卫星所采用的伪随机噪声码)的不同编号;NASA编号(美航空航天局对GPS卫星的编号);国际编号(第一部分为该星发射年代,第二部分为该年中发射卫星的序号,字母A表示发射的有效负荷);按轨道位置顺序编号等。
在导航定位测量中,一般采用PRN编号。
在GPS系统中,GPS卫星的作用如下:
1用L波段的两个无线载波(19cm和24cm波)向广大用户连续不断地发输导航定位信号。
每个载波用导航信息D(t)和伪随机码(PRN)测距信号进行双相调制。
用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C\A码(又叫S码),精密测距码(用于精密定位)叫P码。
有导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。
2在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用S波段(10cm)
发输到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过GPS信号电路,适时地发输给广大用户。
3接收地面主控站通过注入站发输到卫星的调度命令,适时地改
正运行偏差或启用备用时钟等。
GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。
而对于GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。
这种高稳定的频率标准由高度精确的时钟提供。
因为10-9s时间误差将会引起30cm的站星距离误差。
为此,每颗GPS工作卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟,并计划未来采用更稳定的氢原子钟。
GPS卫星虽然发输几种不同频率的信号,但是它们均源于一个基准信号,所以只需启用一台原子钟,其余作为备用。
卫星钟由地面站检验,其钟差、钟速连同其它信息由地面站注入卫星后,再转发给用户设备。
2.2.2地面监控系统
对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。
星的位置是依据卫星发射的星历----描述卫星及其轨道的参数算得的。
每颗卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。
卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。
地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。
这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差,然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
主控站设在美国本士科罗拉多。
主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料,编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统,将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传输到注入站。
主控站还负责纠正卫星的轨道偏离,必要时调度卫星,让备用卫星取代失效的工作卫星。
另外还负责监测整个地面监测系统的工作,检验注入给卫星的导航电文,监测卫星是否将导航电文发输给了用户。
五个监测站除了位于主控站和三个注入站之外的四个站以外,还在夏威夷设立了一个监测站。
监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。
每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测,采集气象要素等数据。
在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正,每15分钟平滑一次观测数据,依次推算出每2分钟间隔的观测值,然后将数据发输给主控站。
GPS信号接收机的任务是:
能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发输的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。
静态定位中,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机高精度地测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。
而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。
GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体。
载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动,接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数。
接收机硬件和机内软件以及数据的后处理软件包,构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收机单元两大部分。
对于测地型接收机来说,两个单元一般分两个独立的部件,接收单元置于测站附近的适当地方,用电缆线两者连接成一个整机。
也有的将天线单元制作成一个整体,观测时将其安置在测站点上。
GPS接收机一般用蓄电池作电源。
同时采用机内外两种直流电源。
设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。
在用机外电池的过程中,机内电池自动充电。
关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止丢失数据。
近几年,国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。
各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时,其双频接收机精度可达5mm+1ppm.D,单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2ppm.D。
用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。
目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测。
GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
3GPS在测量工作中的应用及其工作原理
3.1GPS在测量上的应用
全球卫星定位系统的迅速发展,引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注。
GPS定位技术的高度自动化及其达到的精度和具有的潜力,也引起了广大测量工作者的极大兴趣。
特别是近二十年来,GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展。
目前,这一定位技术已普遍应用在大地测量、工程测量、工程和地壳变形测量、地籍测量、航空摄影和海洋测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等诸多测量领域。
可以认为,GPS定位技术已经使经典的测量技术经历了一场意义深远的变革,从而进入一个崭新的时代。
由于对测量而言,导航定位的精度太低,因此,主要利用相对定位的方式进行测量,即同时使用两台以上的GPS接收机进行测量。
由于同时工作的相邻的两台GPS接收机的信号具有共同的误差特性,在差分解算的过程中这些公共误差将被抵消,最后可得到具有较高精度的两台接收机之间的相对坐标。
通常一台接收机固定不动,作为已知站,另一台作为未知站,以固定的方式(静态)或流动的方式(动态)放置。
如图2-3所示,固定站和流动站同时观测相同的卫星固定站将观测的数据通过数据链(DATALINK)传输到流动站,流动站将该数据与本身观测到的数据进行差分解算,从而得到流动站与固定站之间的相对位置,这种相对位置具有较高的精度。
在测量上,这种差分形式具体可分为三类,第一种为实时差分(RealTimeDifference),即在运动中利用伪距进行实时差分解算,精度可达米级;第二种为静态测量,即静态的采集载波相位观测值,然后再对这种观测值进行后处理,其精度可达数毫米,是目前精度最高的一种定位方式;第三种为实时动态(RealTimeKinematic)即在运动中利用载波相位进行实时差分解算,精度可达厘米级。
相对于经典测量技术来说,这一新技术的主要特点如下:
(1)观测站之间无需通视
(2)定位精度高
(3)提供三维坐标
(4)操作简便
(5)全天侯作业
(6)观测时间短
正因为上述优点,使GPS接收机成为当今最主要的测量仪之一。
例如,常规的控制测量已几乎全部采用GPS进行;GPS用于水上测量更使工作效率提高了数十倍;实时动态的出现,更使GPS用于地形、放样等等常规测量成为可能。
正因为GPS测量所具有的先进性、优越性和跨学科的特点才使GPS定位技术成为当今测量的前沿学科,与地理信息系统(GIS)、遥感(RS)并称为3S。
3.1.1GPS技术的陆地应用
各种车辆的行驶状态监测;旅游者或者旅游车的景点导游;应急车辆的快速引行和探寻;大气物理监测;地球物理资源勘探;工程建设的施工放样测量;大型建筑和煤气田的沉降监测;陆地海洋大地测量基准的测定。
3.1.2GPS技术的海洋应用
远洋船舶的最佳航线测定;远洋船队在途航行的实时调度和监测;海洋救援的探寻和定点测量;海洋油气平台的就位和复位测定;水文测量;海岸地形的精细测量海底大地测量控制网的布设。
3.1.3GPS技术的航空应用
民航飞机的在途自主导航;航空救援的探寻和定点测量;机载地球物理勘探;飞机探测灾区大小和标定测量;摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量。
3.1.4GPS技术的航天应用
低轨通讯卫星群的实时轨道测量;卫星入轨和卫星收回的实时点位测量;载人航天器的在轨防护探测;对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。
3.2GPS卫星的导航定位信号
3.2.1概述
GPS卫星向广大用户发输的导航定位信号,均采用L(22CM)波段作载波,而且采用扩频
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