GPS-RTK测量方法研究与精度分析 - 图文(2)

兰州交通大学毕业设计（论文）

第一章 绪论

本章介绍了 GPS-RTK 定位技术的研究现状及其局限性，阐明了本文研究的背景和意义，确定了本文研究的主要内容和目标。

第一节 引言

一、概述

GPS全球定位系统(Navigation Satellite Timing And Ranging/Global

Positioning System)是美国国防部为了实现高精度定位和导航而建立的。系统始建于 1973 年，1978年首次发射卫星，1994年完成24颗中高圆轨道（MEO）卫星组网，卫星高度 20180km，1995 年建成投入运行。它是新一代卫星导航与定位系统，通过测距空间交会定点，可以持续提供三维导航、定位及授时的服务功能，且受地域和观测时间的限制有限。同时兼具较高抗干扰性及保密性等优点，是现代导航技术快速发展的重要标志。

全球定位系统的迅猛发展，引起全球军事和民用领域的广泛关注。也使得 GPS 定位技术在一些领域的应用卓有成效。特别是在精密时间比对、航空与卫星遥感、工程勘测、地球物理勘察、资源勘探、地壳监测、民用导航、运动目标测速、大地测量、安全监控等方面，展示前所未有的优越性。近年来，GPS 定位技术在实践应用的研究、新领域运用的开拓、软硬件的开发等方面都取得了迅速发展，使导航与定位技术进入了一个全新的时代。GPS 的高度自动化及其所达到的高精度和巨大的潜力，也为测绘行业带来了巨大的变革，对测绘学的各个方面都产生了极其深刻的影响。且 GPS 定位技术具有：用途广泛、定位精度高、观测站之间无需通视、自动化程度高、观测速度快、全天候作业的特点?1?。而目前的 GPS 动态差分定位?2?，是利用安置在一个运动载体上的 GPS 接收机以及安置在基准点上的一个或多个接收机共同测出运动载体的空间和时间状态参数，因此差分动态定位也被称为相对动态定位。按照对实时性要求，差分动态定位可分为实时差分动态定位和事后差分动态定位。实时差分动态定位需要建立无线电数据传输通道，以保证实时地求解出载体的状态参数；而事后差分动态定位则没必要实时地传输基准站状态参数，而是在观测结束后进行数据处理。

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载波相位差分技术的日渐成熟，使得 GPS 完成高精度定位可能实现，而实时的动态载波相位差分技术也就是 RTK 技术，它是实时地处理两个观测站上的载波相位，并实时提供观测点的空间位置，目前研究表 RTK 测量精度可以达到厘米级。实现动态载波相位差分定位的方法可分为两种，即修正法和差分法。修正法与伪距差分相同，流动站利用基准站发送的载波相位的修正量和自身接受的卫星载波相位数据，实时求解流动站三维坐标；差分法则是流动站利用基准站发送的载波相位的观测量和空间位置数据，实时求解流动站三维坐标。修正法其实是准 RTK 技术，差分法则是真正意义上的 RTK技术。

RTK测量技术操作简单，方法灵活多样，而其精度也相对较高，最重要的一点是，它能实现快速定位，从而使得它的应用范围不断扩大。网络RTK的发展又给测绘导航界带来了新的春天。

RTK，即载波相位差分GPS，有两种定位方法，一种是基准站将载波相位的改正量发送给用户站，并对用户站的载波相位进行改正进行定位，此法称为改正法；另一种是将基准站的载波相位发给用户站，并由用户站对观测值进行求差进行坐标解算，这种方法称为求差法。相对而言，求差法可以消除或者消弱多项GPS测量误差，可以大大提高实时定位的精度，因此，实际当中大多数运用求差法进行RTK测量。而求差法中用到的数学模型是双差模型，双差模型在单差模型的基础上进一步消弱了电离层及气象影响，并消除了接收机钟差，同时该模型快速高效的求定了整周未知数，整周未知数的求定不但决定着定位成果的可靠性，决定了动态定位的速度及效率，而且决定了动态定位的方式，因此，在RTK测量中，必须给与双差模型以高度关注。

RTK测量不可避免需要求取WGS84坐标和地方坐标之间的转换参数，求取转换参数的精度的好坏又在很大程度上决定了RTK测量结果的质量高低。根据双差模型，由于GPS-RTK定位中，不论基准站架设在何处、基准站的坐标精度如何，基线向量的方位、点之间的距离等相对关系总是准确的，在此前提下，能否使得测量模式更加灵活？其精度又如何？RTK在测绘界的应用有一下几种常用模式：基准站架在已知点、基准站架在任一点、WGS84坐标已知、WGS84坐标未知等，测绘工作者可根据已有的条件选择适合自己工作实际情况的最优方法。然而，各种测量模式所求取得到的转换参数其精度又如何，相对而言，哪种测量模式精度更高一些？

二、工程实例 1、项目概况

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项目：兰州市某县某土地整改项目地形图测量

测区概况：该测区面积大概6.5平方公里，测区内全为山地，高差最大150m，植被覆盖质量差，大多为裸露黄土。

图1.1

测量要求：绘制1:500地形图，测图精度按照国家规范。 1、基准站每天都必须架设在已知控制点上；

2、每天必须通过对基站周围其他至少3个已知点的现场采集求取转换参数（单点定位）；

3、每天必须在“无关控制点”上对转换参数的精度进行验证。

之所以提出以上要求，因为基准站坐标的获取方式是单点定位！基准站开始工作之前，需要获取它所在的点的WGS84 坐标。实质：静态绝对定位：观测方程中包括三个测站未知数和一个钟差未知数，只要跟踪接受4颗以上卫星就能解算出测站的三维地心坐标。但是，不同的时间在同一点观测到的卫星不一定相同，而且每颗卫星轨道参数的摄动改正数也不相同，再加上复杂的气象和电离层的影响，使得基准站每天在同一点进行单点定位结果往往有差别所以，传统RTK测量每天都要进行转换参数的求取！

2、项目实施情况

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如下所示，每天必须到5个控制点上进行相关作业。直线距离>=2km，实际路程>=6km。每天早上8点准时开工，下午1点左右完成转换参数求取。每天用于测点的时间只有半天！ 基准站（1） 求转换参数的控制点（3） =5个点 精度验证的控制点（1） 项目外业测量前后共耗时22天，浪费时间！浪费财力！消耗人力！标准不一！精度可疑！ 三、问题的提出

正对上述工程问题，本论文提出以下问题：

1、根据RTK测量原理，差分定位得到的点与点之间的相对位置（距离、方向）总是准确的，这与基准站是否架设在已知控制点上无关。既然如此，基准站的架设是否可以灵活选择？

2、测区已有静态测量获得的WGS84坐标数据，能否直接用于转换参数求取？精度如何？

3、同一测区应该是同一基准，为什么整个施测过程不用同一套转换参数？如果用一套参数，该怎实现？其精度又如何？

第二节 国内外研究现状

RTK 测量技术的先天性优势给测量工作带来了巨大方便，而且人们对其应用前景充满期待，所谓“知彼知己方能百战不殆”，因此，有必要对 RTK 测量精度进行系统性的认识，也就是理论联系实际地认识 RTK 测量及其测量精度，这样对 RTK 定位实现高精度大范围的使用有着极其重要的意义，国内外很多学者都在致力于拓展 RTK 测量范围的研究。

四、国内研究现状

GPS-RTK 测量时，除了流动站和基准站之间有联系外，流动站各点相互孤立，构不成几何图形，缺少必要的检核条件，成果精度的可靠性缺少验证，成果的准确度很难估计，用坐标或边长较差衡量测量成果的可靠性，具体多大的较差值才能保证其精度的可

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靠，没有成型的理论指标?4?，黑志坚等提出 RTK 测量成果的坐标检测法精度估计和 RTK 测量成果的边长检测法精度估计的两种方法?5?，在实际工程应用中有理论价值和指导意义。

因为 RTK 测量时受卫星状况、外界环境等方面的影响，且没有静态 GPS 测量的必要的检核条件，因此通过 RTK 测量获得的结果精度和可靠性需要检验，针对 RTK 精度的可靠性研究，很多学者研究出一些 RTK 测量成果精度分析的方法，如通过分析影响RTK 测量成果的因素，得出改善影响因素的条件来提高精度，罗满建等通过实际工程来验证 RTK 测量精度，采用静态观测值和 RTK 测量值来比较 RTK 的测量成果，来达到检核 RTK 数据可靠性的目的?6?，也有不少学者对数据检验提出了一些其它方法，郭建东等提出的利用已知点比较法，利用高精度静态获得的 GPS 点的成果纳入到 RTK 测量链中的方法进行检验，讨论 RTK 测量点的可靠性和误差?7?，部分文章从 RTK 定位技术研究测量成果精度问题，如潘宝玉等文中分析如何准确求取坐标转换参数，合理的安置基准站及控制 RTK 作业半径，也可利用观测卫星的图形强度的选择等来提高 RTK 定位的精度?8?。

朱正华等提出了五种方法对 RTK 的测量数据进行质量控制。快速静态比较法是在测量的同时也进行快速静态观测，事后对共同测量的点成果分析比较，来检验 RTK初始化可靠性及 RTK 测量数据链稳定性，达到检核 RTK 测量结果准确的目的。复测比较法一方面是在迁移基准站后复测上一基准站上已测的点 1-3 个，并现场比较其测量成果，判别 RTK 测量数据链的可靠性，在确认无误后，展开测量；另一方面是每次完成初始化任务后，先进行复测附近点 1-3 个，比对测量结果，便可确认初始化成果是否可靠，若没有问题即可展开测量。电台变频法：是在测区内架设多个基准站，各个基准站采用不同频率的信号通道发射差分信号；流动站观测时，可以选择接收不同的基准站发射差分信号，可以实时对比多个成果数据，就能判断出观测结果的可靠性，由于这种方法可以兼顾实时性，是 RTK 测量数据可靠性检核的突破。而穿线比较的方法和复测比较的方法有所差别，是在测区 RTK 测量工作结束后，新布测一条 RTK 观测链，对测区内的 RTK 测量结果进行质量控制，即利用新布设测量链的成果判断测区内 RTK 测量链是否存在质量问题?9?。宋良学、王传海等不仅对 RTK 测量精度进行了分析，还对 RTK测量成果的可靠性进行研究?10?，张子江通过静态 GPS 观测数据检核 RTK 观测数据的精度

?11?，赵军通过对 RTK 测量过程的研究，得出 RTK 工作时间受工作时间段影响?12?。综

上所述这些学者在为 RTK 数据结果精度的检核和可靠性研究方面都提出了诸多可以借鉴的方法和理论，为进一步研究 RTK 观测数据精度分析提供了指导作用。

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