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GPS测地技术的进展与RTK

时间:2012-10-23浏览:责任编辑:四川拓图测绘仪器

GPS系统的建立其本意在于解决全球范围的导航定位问题,主要用于航海与军事方面,测码伪距定位是导航定位的主要方法。鉴于原理上的局限性,其定位 精度只能在10-30米量级(无SA影响下);其优点是能实时地提供点位坐标数据。在实际应用中,发现GPS存在巨大的潜力,促使人们进行了多方研究探 素,围绕着精度、速度与实时性也是一种速度上的表现)等主要方面,不断开拓、改进、完善,至今GPS应用已进入了比较成熟的阶段。

GPS测地技求的进展

1、自从 1982年第一台载波相位测量型接收机面世以来,有效地利用了L1与L2两个载波资源,使GPS技术在测量精度上跃上了一个台阶。相应的静态测量方法、差 分数据处理技术为高精度测量奠定了基础。经典的静态测量模式,需要较长的观测时间( 60- 120分钟),而旦必须经测后处理才能获得解算结果。此时,提高作业效率成了焦点问题,关键集中在求解整周未知数(整周模糊度)上。

2、作业方法的改进

  • 静态测量之所以要观测较长时间,主要原因是让站星几何图形有较大的变化,以便正确地确定整周未知数。其实,长时间观测对提高观测质量增益并不显 著。实践表明,只需要在时段的开始与结束有少量观测资料足以解算出整周未知数。于是便出现了两次重复设站(伪静态法)的作业方法、试图缩短设站时间,在多 站组合观测中提高总体效率。由于转站时间多了一倍,效果亦不显著。
  • 后来出现的走走停停(准动态)与动态测量模式,必须在已知基线上做初始化工作,以便用几分钟的初始观测数据反算出整周未知数N。;后续观测中, 基准站与流动站均携带N;。工作,所以每次流动设站观测仅需几秒到十几秒钟,大大地提高了作业效率。这应当说在速度上是一个很大的进步。但是由于要求流动 站在行进过程中不能出现失锁,否则丢失了N0,需重新初始化,此方法受环境影响较大,限制了它的应用范围。

3、算法上的不断探求

算法的探求一直是推进GPS技术向纵深发展的重要环节。快速求解整周未知数是其主攻方向。经过专家们的不懈努力.终于在九十年代初将整周未知数快速 逼近技术 FA RA(Fast Alnhigl。ity Resolution Approach)用于炔速静态定位,使原来需要一、二小时才能完成的观测工作缩短到了凡分钟,大大地提高了作业效率。

后来又将这一技术推进到r动态准动态测量.解决了无须静态初始化问题.而是在行进过程中自行求解整周未知数,简称为AR(>F(Ambiguity Resolution on the Fly)。使准动态与动态测量得到进一步完善。所以第三代接收机,尤其是双频机,几乎都具有了这一功能,其功劳在于引用了新的算法。

GPS测地技术发展到这一步,在精度、速度应当说得到了比较满意和结合。然而,事物还存在另一个侧面,那就是,静态、快谏静态、准动杰、动态测量模 式都共同蕴含着一大缺陷,就是都必须经过测后处理才能获得结果。一方面不能在观测过程中及时监视观测质量;另一方面对于那些要求实时地提供成果的场合,譬 如,工程施工放样(打桩测量)、载体姿态与方位的测定,海底精度定位水下地形测量、耕作机械的导向等,后处理方式就无能为力了。所以定位的实时性问题便提 到了日程上来了。

4、实时定位的进展

  • 为了改善单点精度,引用了差分处理技术,借以消除钟差,削弱星历误差、电离层时延误差的影响,同时又要不失单点定位实时性的特点。于是又引进了 移动数据通信技术,在已知点上设立基准站连续观测,通过无线数据通信键将伪距改正数,传送给流动站,对流动观测数据予以修正,借以提高定位精度。再加上卡 尔曼滤波、数据平滑技术,使单点定位提高了亚米级精度。如天宝(Tlilnble)的4000Geo手持式GPS接收机,只有04kg重,体积门cm x scm x 4cm。四节 5号电池供电,按 1秒的采样率可存储 9000个点的数据,是一种资源调查、GIS数据采集较理想的轻便型测量仪器。
  • 载波相位测量、差分处理技术、整周未知数炔速求解技术以及移动数据通信技术的融合,使GPS在测地应用上,在精度、速度、实时性三方面达到了完 满的结合。一种堑新的GPS测量方法一载波相位实时差分法便应运而生了。1993年天宝(Trimble)公司率先推出的 RTK(Real-Time kinematic)测量系统一 GPS全站仪 4000TD,将 GPS测地技术推迸到了一个新阶段。

凡Trimble 4000系列接收机(单、双频)装上RTK固件、添加数据通信设备、电子手簿(流动站用),便可扩充为具有RTK功能的系统。

5、RTK全站仪工作原理框图

  • 基准站:设在已知控制点上,连续接收GPS信号,经数据调制,通过无线发射电台发送出去。
  • 流动站:流动于测点上,一方面接收机同步采集GPS信号;另一方面由无线收讯机接收来自基准站的信息,经数据解调,两种信息汇集于电子手簿。
  • 电子手簿快速解算,进行坐标系的转换校准,实时地在显示屏上提供测点的地方坐标成果,同时将成果数据存储起来以便进一步应用。

RTK作业过程

  • 在已知点上设立基准站。
  • 在已知基线另一端点(或已知点上)架立流动接收天线,与基准站同步观测几分钟初始化工作)。
  • 基准站连续观测,流动站移到另一测点观测凡秒到十几秒钟(由电子手簿上显示的质量指标而定)。如果在行迸过程中出现因空中遮挡而失锁,对双频机在 行进过程中便自动初始化(重新获得整周未知数);对单频机可借助一种附件一初始化板来完成重新初始化工作。即回到刚测完的那个点上作凡分钟观测便可继续进 行。

顺便提一下,开始工作时的初始化,主要是为了建立WGS-84坐标系与地方坐标系的联系以便顺利实现坐标校准工作,同时也就获得了初始整周未知数。

RTK的技术要点

1、无初始化动态测量解决了快速求解整周未知数之后,实时性问题主要取决数据传输技米必须保证快速正确地实现传输,具体涉及传输设备、误码率、传 输速率、基线站与流动站数据流的匹配以及传输复盖范围等。 Trimbl 4000 TD全站仪采用TlllMTALKop多用途无线电通信系统它能提供高速低误码率的无线数据传输,数据传输率不低于Wfl)波特率,在一般环境下复盖范围 可达百公里。

2、数据处理技术。这一问题的核心蚤决速求解整周未知数。其于数据统计理论与统计检验的整周未知数快速逼近技术FARA,在快速静态测量中起着主 导作用,后来经过改进用于了RTK作业。利用L;和L.相位组合帮助快速求解整周未知数的组合;突搜索技术,对双频机求解问题最为有札

3、在坐标转换上仍采用七参数模型(三个平移参数,三个旋转参数与一个尺度因子)。所以作业前需至少联测三个分布较均匀的已知点,最好分布在测区 四周。作业时取其中之一为基准站。地方坐标系可以是国家坐标系,也可以是用户自定义的坐标系。计算在高斯投影平面上进行,以投影平面上的坐标形式输出。高 程问题仍然用提供足够数量的水准联测点,以数学拟合的方法求得正常高程。

4、RTK的精度为厘米级,对于一般应用是足够的。影响RTK成果精度的因素除了GPS观测共有误差源之外,还有基线解算精度,可达到 10cm+lppmD;基准站点位精度平均在上3cm以内;坐标系转换精度,对10KM基线亦在土3cm左右;动态作业由于测距杆偏心、天线高误差等一般 也在士3cm之内。至于正常高拟合与内插精度取决于联测点数目与分布、拟合模型等,一般scm-10cm是做得到的。所以,总的说来,RTK走走停停式作 业,平高精度可望在土5Cm左右。

RTK技术的应用前景

RTK技术使精度、作业效率、实时性达到了最佳的融合,为测地工作提供了一种斩新的仪器,在厘米级精度要求的普通测量中将大显身手。工程施工放样。 无须设立许多低等级控制点,便可直接利用少量首级控制点定位出工程细部点点位。这在高等级公路施工放样中将充分体现其优越性。石油部门地震法探矿中的地震 点放样已得到广泛应用,取得了节省人力、物力与时间的效果。在地形测图中目前应用还少,主要是仪器本身价格高,还未达到普及程度。但是这将是一个应用面很 广的领域,与机助绘图系统的结合将如虎添翼。水下地形测量与声纳仪配合会使平面定位更简便炔捷,效率倍增。就拿GPS其他各种测量模式而言,都有被RTK 取代的趋势。当然,高精度测量仍然摆脱不了静态测量的模式。目前影响RTK应用进展主要是价格因素,可以预计,当其应用不断拓宽。用户增多,大批量生产加 上市场竟争的驱动力,普及应用RTK技术并不是遥远的事。

RTK仍在发展

可以预计,未来的测量仪器将是GPS测量仪与全站电子速测仪的天下。测量机器人是速测仪的发展趋向,而RTK技术将成为GPS测地技术的主流。

就目前已有的RTK系统来说,仍然存在许多待改进发展的地方。一个是精度方面有侍进一步提高;第二方面整套设备体积偏大,重量偏沉。接收机、天线、 通信机、电子手簿、电池等对于流动站来说,一个背袱流动作业,负担太重。这里主要是GPS接收机、通讯机的小型化与轻量化,电池应用采用高效轻量化产品。 无线数据传输设备的复盖范围,尤其是高原山区的环境条件,能否利用卫星通信技术。当然,当用户增多,应用范围拓宽之后可以建立区域性GPS基准站及数据服 务网,做到数据资源共享,可大大降低用户投资成本。那时对每个用户只需购买流动站设备就可以了。

另外,RTK观测中必须保证至少4-5颗卫星的跟踪。单频机目前采用的初始化板也不尽方便,如果也要实现无初始化观测,则至少保持对7-8颗卫星的同步跟踪。这样对环境和对观测时间安排的要求更高了,这些有待在 GPS/GLONASS集成接收机上来实现。

信息标题:GPS测地技术的进展与RTK

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