测绘工程毕业论文

2011级工程测量专业函授毕业论文

RTK技术在线路测量中的应用

学 院:石家庄铁路职业技术学院

专 业:工程测量

学 号:[1**********]2

姓 名:刘一鹏

指导老师:李孟山

学位级别:专 科

2014 年 5 月 23 日

目 录

摘 要 ·························································································3

第一章 绪 论 ············································································4

第二章 RTK技术分析 ·······························································4

2.1 RTK技术原理 ··················· 4

2.2 RTK技术的优点和缺点 ··············· 6

2.3 RTK的误差特性及其解决办法 ············ 7

2.4 RTK测量成果的质量控制 ············· 10

2.5 RTK的优化布测方法 ··············· 11

第三章 线路测量应用实例及分析 ············································ 11

3.1 工程概况 ···················· 11

3.2 设备配置 ···················· 12

3.3 作业方法 ···················· 12

3.4 测量精度统计及分析 ··············· 13

第四章 结论与建议 ·································································14

4.1 结论 ······················ 14

4.2 实际工作中应注意的问题及建议 ·········· 15

摘 要

随着全球定位系统( GPS) 技术的快速发展,测绘行业正面临着一场意义深远的变革,而测绘领域也由此步入了一个崭新的时代。RTK(Real Time Kinematic) 技术是GPS 测量技术发展里程中的一个标志, RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。由于RTK测量技术的精度高、实时性和高效性,使得其在测绘领域的应用越来越广。RTK技术应用于线路测量中,与航测方法相结合, 可真正实现送电线路测量的一次性终勘定位, 并可保证工程质量, 大大提高工作效率, 减少青苗砍伐和环境破坏, 降低工程成本, 减少野外劳动强度,取得好的社会效率和经济效益。

关键词:RTK技术;精度;线路测量

第一章 绪 论

随着全球定位系统( GPS) 技术的快速发展,测绘行业正面临着一场意义深远的变革,而测绘领域也由此步入了一个崭新的时代,RTK(Real Time Kinematic) 技术是GPS 测量技术发展里程中的一个标志.在RTK以前的定位技术如静态、快速静态、准动态、动态等定位方法都是测后进行事后处理来求出结果, 野外作业人员不能实时得到结果, 这样就不能进行质量控制, 也就有可能在次日或几天后因质量问题而进行返测, 从而使作业人员在野外实测时为了保证精度和质量而延长观测时间以获得大量的多余观测值, 造成了人力、物力、财力上的浪费, 影响了工期及经济效益。RTK系统不需要事后处理, 就能够实时获得测量三维坐标值。采用RTK 技术放样时, 仅需把设计好的坐标输入到测量控制手簿中, 背着流动站, 它会提醒你走到要放样点的位置, 既迅速又方便, 且只需一个人操作; 由于RTK是通过坐标来直接放样的, 而且精度达到厘米级, 点位精度也很均匀, 因而在外业放样中效率得到了极大的提高。

第二章 RTK技术分析

2.1 RTK技术原理

RTK(Real - time kinematic)实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法,以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度,而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法,它采用了载波相位动态实时差分方法,是GPS应用的重大里程

碑,它的出现为工程放样、地形测图、管线测量,各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。

高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值,RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不足一秒钟。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级定位结果。

RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,即能实时搜索并唯一地判断相位观测值的初始整周模糊度。RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机,数据量比较大,一般都要求9600的波特率。随着移动数据通讯技术和数据处理技术的发展, 特别是后者的发展, 使初始化时间大大缩短。

随着科学技术的不断发展,RTK技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS,有些城市建立起CORS系统,这就大大提高了RTK的测量范围,当然在数据传输方面也有了长足的进展,由原先的电台传输发展到现在的GPRS和GSM网络传输,大大提高了数据的传输效率和范围。在仪

器方面,现在的仪器不仅精度高而且比传统的RTK更简洁、更容易操作!促成了RTK 定位技术的日趋成熟和迅速推广应用。

2.2 RTK技术的优点和缺点

2.2.1 RTK技术的优点

(1)RTK作业自动化、集成化程度高,测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统,无需人工干预便可自动实现多种测绘功能,使辅助测量工作极大减少,减少人为误差,保证了作业精度。

(2)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”和对天基本通视,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、地物障碍而造成的难通视地区,只要满足RTK的基本工作条件,它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。

(3)定位精度高,数据安全可靠,没有误差积累。不同于全站仪等仪器,全站仪在多次搬站后,都存在误差累积的状况,搬的越多,累积越大,而RTK则没有,只要满足RTK的基本工作条件,在一定的作业半径范围内,RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

(4)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10km半径左右的测区,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得一点坐标,作业速度快,劳动强度低,节省了外业费用,提高了测量效率。

(5)操作简便、数据处理能力强。南方测绘RTK的基准站无需任何设

置,移动站就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强,能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

2.2.2 RTK技术的缺点

(1)RTK测量受接收卫星个数限制, RTK接收天空卫星个数低于4个时不能正常工作。

(2)受一些地域限制,城区楼群林立、山区山高林密, 跨越沟岗、基准站与流动站距离过大时, 流动站接收不到基准站发射的电台信号, 导致流动站只有浮动解, 而无固定解。因此在这些地区作业时RKT的高作业效率得不到体现。

(3)温度过低时, 天线电缆线变硬, 给作业带来不便。

2.3 RTK的误差特性及其解决办法

2.3.1 同仪器和干扰有关的误差

同仪器和干扰有关的误差包括天线相位中心变化、多径误差、信号干扰和气象因素。

(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内的绝对检验法和野外检验法。

(2)多路径误差

多径误差是RTK定位测量中最严重的误差。多径误差取决于天线周围的环境。多径误差一般为几厘米,高反射环境下可超过10cm。

多径误差可通过下列措施予以削弱:A、选择合适的站址:①测站应远离大面积平静的水面。灌木丛、草和其他地面植被能较好地吸收微波信号的能量,是较为理想的设站地址。翻耕后的土地和其他粗糙不平的地面的反射能力也较差,也可以选站。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方进入天线,产生多路径效应。③测站应离开高层建筑物。观测时,汽车也不要停放得离测站附近。B、 ①在天线中设置抑径板。②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)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。

为了削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。在基地站削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

快速运动中的气象峰面,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宜进行RTK测量。

2.3.2 同距离有关的误差

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,其的主要部分可通过多基准站技术来消除。但是,其残余部分也随着至基地站距

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(

(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,太阳黑子活动最强时为最弱时的4倍。利用下列方法使电离层误差得到有效的消除和削弱:利用双频接收机将L1和L2的观测值进行线性组合来消除电离层的影响;利用两个以上观测站同步观测量求差(短基线);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办法。但在太阳黑子爆发期内,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

对流层是高度为40km以下的大气层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复制。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的上升而降低,GPS信号通过对流层时也使传播的路径发生弯曲,从而使距离测量产生偏差,这种现象叫做对流层折射。

对流层的折射与地面气候、大气压力、温度和湿度变化密切相关,这

也使得对流层折射比电离层折射更复杂。对流层折射的影响与信号的高度角有关,当在天顶方向(高度角为90°),其影响达2.3m;当在地面方向(高度角为10°),其影响可达20m。

RTK模式时移动站和基准站有效作用半径相距不太远(一般小于20km),由于信号通过对流层的路径相似,所以对同一卫星的同步观测值求差,可以明显地减弱对流层折射的影响。这一方法在精密测量相对定位中被广泛应用。

2.4 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性最高为99.9%,RTK比静态GPS还多出一些误差因素如数据链传输误差等。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,另外尽量采用高精度的控制点,并且最好是统一精度等级的控制点。质量控制的主要方法如下:

(1)已知点检核比较法—即在布测控制网时用静态GPS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,发现问题即采取措施改正。

(2)重测比较法—每次初始化成功后,先重测1-2个已测过的RTK点或高精度控制点,确认无误后才进行RTK测量。

(3)双基站实时检测法—在测区内建立两个以上基准站,每个基准站采用不同的频道发送改正数据,流动站改变频道地分别接收每个基准站的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成果,双基站

实时检测法的实时性好,但它需具备一定的仪器条件。

2.5 RTK的优化布测方法

(1)摸清仪器特性。通过在各种条件下反复试验,摸清仪器各种特性,如能否达到标称精度,在各种条件下的测量误差和作业半径,摸清仪器的稳定性和各种条件下的初始化能力及所耗时间等等,以便应用时得心应手。

(2)布控制点。控制点主要布置在制高点上用来设置基准站,以利于接收卫星信号和数据链信号,控制点间距离应小于RTK有效作业半径的2/3倍。为方便对RTK测量成果进行控制检核和避免出现作业盲点,应在测区内环境不良地区增设一些控制点。控制点的选点还要避免无线电干扰和多路径效应。

第三章 线路测量应用实例及分析

本文引用云南省电力设计院于1998年8月至9月间利用Trimble 4000SSI GPS 三台套+实时动态(RTK)进行500kV大昆南回东段送电线路工程80km的定位工作为例。

3.1 工程概况

该工程为高海拔山区送电线路, 沿线沟壑纵横、山势陡峭, 如果用常规测量方法先贯通转角间的直线, 再放样各塔位, 则测量工作量比终勘定位时还要大, 并且很难保证恢复后的直线与原直线一致。另一方面, 由于该段处于亚热带雨林地区,植被发育完整, 通视条件极差, 要砍出通道, 不但赔偿费用高, 而且工期长, 于是该院决定用RTK进行定位及复测。

3.2 设备配置

(1)基准站一台

包括400SSI 基准站主机, TRIMMARK Ⅱ无线电调制解调器(25W) 及配件, 6Ah 电池, 电台供电电瓶(12V , 100Ah) 。

(2)流动站两台

包括4000SSI 基准站主机, TRIMMARKⅡ无线电调制解调器( 5W) , Pole 2madjustable 对中杆(含电池) , TSC1 测量控制器及连线等。

(3)内业处理软件

主要是Trimble survey office soft2ware , 它在WINDOWS 环境下运行, 主要功能是数据传输、编辑、处理, 可将GPS 测量数据和常规测量数据统一处理。

3.3 作业方法

由于该线路工程原终勘定线时是通过航测方法, 用GPS 进行的, 全部转角点都是由GPS 或全站仪实测得到的, 线路两端联测了国家控制点, 这些都给RTK 的实施创造了有利的条件。测量前, 我们把各转角点和国家控制点及相关GPS 控制点的坐标和高程输入TSC1 测量控制器内。

下面以J 44 至J 48 四个转角段说明现场作业方法(如下图所示) 。

J44、J45、J46三个转角与终勘定线时的位置一致(即转角塔位没有移动) 。一个流动站从J44往J45方向测, 另一个流动站从J46逆向(或J45同向) 往J45(J46)方向测, 将各设计档距输入TSC1 手簿中, 利用RTK的放线功能, 在实地放样各塔位桩, 同时每基塔位测定1-2个副桩(Z桩), 以利于测量塔基地形图和工测检测及施工测量使用。放完线后, 根据航测断面图并结合现场地形情况, 各流动站尚需校测中线点、边线点、危险点和风偏断面, 对于交叉跨越物和塔位附近的断面点的校测由工测完成。

原J47因设计条件较差需位移至J47 , 因J47是在J48-原J47的延长线上, 因此, 一台流动站仍从J48往原J47方向测定各塔位, 而另一台流动站则需要先落实J47 , 然后再从J47往J46方向测。

3.4 测量精度统计及分析

3.4.1 测量精度统计

为了统计和检验RTK测量结果的精度情况,我们对某些耐张段或直线段用TC1610 全站仪进行了测量, 并将两套成果进行了比较, 结果见下表:

线路测量规范规定: 距离测量的精度要求为1/ 2000, 高差测量的精度要求为015m。显而易见,从上表中可以看出, 应用RTK放样塔位, 复测断面图, 其精度完全能满足送电线路测量的精度要求。

3.4.2 RTK测量误差来源分析

从表中可知, RTK测量还存在一定误差,其来源主要表现在于:流动站标杆没有对中、置平所产生的误差; 基准站传递过程中产生的误差;观测基线的解算误差;所选择的椭球参数及投影参考面所带来的误差;周围环境影响、信号干扰造成的误差;气象因素影响造成的误差。

第四章 结论与建议

4.1 结论

(1)利用RTK进行线路测量, 遵循了“从整体到局部”的测量原则, 避免了传统测量方法中“从局部到局部”的误差累积和传播, 保证了线路路径走向的准确无误。

(2)RTK与航测方法相结合, 可真正实现送电线路测量的一次性终勘

定位, 并可保证工程质量, 大大提高工作效率, 减少青苗砍伐和环境破坏, 降低工程成本, 减少野外劳动强度。可以预见, 航测方法与RTK相结合, 将是今后送电线路测量的最终方向。

(3)利用RTK进行选线, 也可以大大优化线路路径走向, 有效地避开建筑物和不良地质地段, 使线路路径走向更加经济合理。

4.2 实际工作中应注意的问题及建议

(1)工程开始初期, 各机(包括基准站和流动站) 内参数设置可能不一致, 为了避免数据混乱,造成不必要的质量差错, 应在测量手簿中建立一个椭球参数、坐标系统、投影方法都一致的Job , 并将各转角点、控制点坐标都输入到该Job中, 每天各操作人员从该Job中拷贝一个新的Job进行工作。

(2)基准站问题: 由于基准站电台发射功率消耗较大, 为保证一天工作的顺利进行, 应选购一个至少100Ah 的电瓶。另外, 基准站东西比较多,应尽量选在交通比较方便的地方, 同时还要考虑数据链能畅通传输的地点。

(3)流动站周边环境的影响:当流动站周边遮挡或干扰比较厉害时, 对结果的精度影响非常大, 且初始化时间非常长, 所以应尽量保证流动站周边无大的障碍物和强的反射或发射源。

(4)因RTK测量不受通视影响, 桩位相对于传统作业方法较少, 为了便于施工放样工作, 建议在地形控制点上、特别是塔位附近增加一定数量的直线桩。

(5)建议线路GPS测量成果分两份归档, 一份以国家坐标系统和线路

坐标系统归档, 以便向其他专业和单位提供通用的成果;另一份以WGS-84坐标系统归档, 这主要是为了方便测量工作, 减少坐标系统转换过程中的精度损失和RTK测量过程中的转换参数的设置。


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