1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生 毕业论文（设计） 题 目： RTK-GPS 测量中几种常见基准站设置方式对比研究 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 地理信息系统 指导教师： 完成日期： 目 录 摘要 .(1) 1.RTK-GPS 概论 . (1) 1.1 GPS 系统概述 .(1) 1.2 RTK 的基本原理 . (1) 1.3 RTK 系统的的基本组成 . (2) 1.4 RTK 系统的工作过程 . (3) 2 RTK 测量中基准站的设置问题 . (3) 2. 1 引言 . (3) 2.2 基本原理 .(4) 2.2.1 基准站工作原理 . (4) 2.2.2RTK 工作原理
2、.(4) 3 RTK-GPS 测量中集中常见基准站设置方式对比 . (5) 3.1 RTK-GPS 基准站常见设置方式 . (5) 3.2 任意基准站 . (5) 3.2.1 任意基准站方法的原理 .(5) 3.2.2 双基准站 .(5) 3.3 GPS RTK 虚拟基准站 . (6) 3.3.1 常规 GPS RTK 基准站法和 GPS RTK 虚拟基准站法工作流程对比 . （ 7) 3.3.2GPS RTK 虚拟基准站法在测区的实际运用 . (7) 3.4 单基准站 . (7) 3.4.1 单基准站 .(7) 3.4.2 单基准站 RTK 的工作原理 . (8) 3.4.3 单基准站 RT
3、K 系统基本构成 . (8) 3.5 网络基准站 .(9) 4 结束语 . (10) 参考文献 . (10) 第 1 页 共 11 页 RTK-GPS 测量中几种常见基准站设置方式对比研究 摘要： 本文在对 GPS全 球定位系统进行了全面阐述的基础上，介绍了 RTK-GPS技术的基本原理以及测量中几种常见基准站设置方式，以及它们的优缺点和这些仪器的适用范围，为我们今后的工程测量工作中提供了有意义的参考。 关键词 :全球定位系统； RTK-GPS 技术；基准站设置；工程测量 1 RTK-GPS 概论 1.1 GPS 系统概述 全球定位系统 GPS(Global Positioning Syste
4、m)是美国从 1973年开始筹建的，该系统可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。其主要有三大组成部分，即空 间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 G P S 的空间星座部分由 2 4 颗均匀分布在 6 个轨道平面内的卫星组成； G P S 的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括 1个主控站、 3 个注入站和 5个监测站； GPS 的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用户设备接收 GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息最终实现利用 GPS 进行导航和定位的目的。将 G P S 用于测量有定位精确，观测时间短，应用广泛，可全
5、天候作业，操作简便，测站间无需通视等特点，因此广泛用于导航、气象、测绘、军事领域。 1.2 RTK 的基本原理 GPS RTK 测量即实时动态差分测量，也可以说是使用地面基站为接收和解算差分发送差分信息的原理，根据差分基准站发送的信息方式可将差分定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。也可以理解为 RTK是根据 GPS 的相对定位概念，将一台接收机安置于己知点，即称基准站，另一台或几台接收机放置在用户移动台，
6、如测量第 2 页 共 11 页 船、挖泥船，同步采集相同卫星的信号，基准站通过数据链实时将其载波观测值和测站坐标信息一起传送给用户移动台。利用相对定位原理，将这些观测值进行差分，削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响，使实时定位精度大大提高。由此可知， RTK 技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，基准台传送的数据是伪距和相位的原始观测值，用户移动接收机利用相对测量方法对基线求解、解算载波相位差分改正值，然后解算出待测点的坐标。 1.3 RTK 系统的的基本组成 RTK 系统主要由三大部分组成：一个参考站，若干个流动站和通讯系统。 详见图 1。 图 1 RTK 系统主要组成 1.
7、4 RTK 系统的工作过程 详见图 2 第 3 页 共 11 页 图 2 RTK 系统工作过程 2 RTK 测量中基准站的设置问题 2.1.引言 随着 3S技术的不断应用和普及 ,GPS定位技术在测绘行业中占有越来越重要的地位。而 RTK 是 GPS 应用的重大里程碑 ,广泛应用于工程放样、地形测图以及各种控制测量。时下 RTK 测量技术应用普遍 ,主要因为其测量模式和测量速度、精度比以往的测量方式有了很大的变革 ,据不完全统计 , RTK测量的效 率为常规测量的 25 倍 ,而其花费却为常规测量的 2/3。我们都知道 ,GPS 静态测量的方法是各个接收机独立观测 ,然后用后处理软件进行差分解
8、算。那么对于 RTK 测量来说 ,仍然是差分解算 ,只不过是实时的差分计算。在日常 RTK 测量中 ,一般采用 1+1或 1+n的测量方式 ,在测量过程中 ,基准站的设置是非常重要的一个环节 ,我们暂且不考虑卫星钟误差、卫星星历误差、大气层延迟误差等因素的影响 ,如果基准站设置不正确 ,特别是 1+n 测量方式第 4 页 共 11 页 中 ,将对测量结果造成严重的错误。本文首先阐述了 GPS 单点定位及RTK的工作原理 ,应用此原理 ,说明了 实际工作中在不同情况下的基准站设置的方法及应该注意的问题。 2.2 基本原理 2.2.1基准站工作原理 GPS 单点定位又称 GPS 绝对定位 ,即利用
9、 GPS 卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在 WGS 84 坐标系中相对于坐标系原点 地球质心的绝对位置。 GPS 绝对定位又分为静态绝对定位和动态绝对定位。在 1+n动态 RTK 测量中 ,基准站设置中的自动定位就是 GPS 静态绝对定位。单点定位原理 :对 4 颗以上卫星同步观测就可以解算出接收机的位置 XYZ 和钟差 t。 t c)Z-(Z)Y-(Y)X-(X 20j20j20jj 单点定位误差 :mp=m0*PDOP 式中 ,m0 为伪距测量误差 ;PDOP为位置精度因子。 C/A 码定位 SPS 标准定位服务 :m0=30m 或 100m。 P 码定位 PPS精
10、密定位服务 :m0=510m。 值得注意的是 :同一个点上架设的 GPS 接收机作为基准站 ,在不同的时间采用自动定位获得的 WGS 84 坐标值都存在差别 ,并不相同。因为在不同的时间 ,基准站所能接收到的观测卫星、电离层折射影响、对流层折射影响以 及基准站架设的瞬时环境都不尽相同 ,基准站接收机接收到的定位数据信息都不相同 ,从而单点定位获得不同的三维位置信息。单点定位精度在 510m。 2.2.2RTK工作原理 RTK 测量是接收机观测的同时 ,能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法 ,采用了载波相位动态实时差分 (real-time kinematic)方法 ,即两台接收机 (一台
11、基准站 ,一台流动站 )都在观测卫星数据 ,同时 ,基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号 (或载波相位差分改正信号 )发射出去 ;那么 ,流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站 的电台信号 ;在这两信号的基础上 ,流动站上的固化软件就可以实现差分计算 ,从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。 第 5 页 共 11 页 3 RTK-GPS 测量中集中常见基准站设置方式对比 3.1 RTK-GPS 基准站常见设置方式 GPS-RTK 测量即实时动态差分测量，基准站设置方式主要包括任意基准站、双基准站、虚拟基准站、单基准站和网络基准站。 3.2 任意基准站 任意架设基准
12、站方法是一种比较灵活比较常用的方法 ,如果能够根据其原理灵活地运用并熟悉其优缺点 ,便可起到事半功倍的作用。 3.2.1任意基准站方法的 原理 RTK技术是在两台 GPS接收机间加一套无线电通讯系统 ,基准站把接收到的所有卫星信息 (包括伪距和载波相位观测值 )和基准站的一些信息 (如基准站的坐标、天线高等 ),通过无线电通讯系统传送到流动站。在流动站完成初始化后 ,将基准站传送来的载波观测信号和本身收到的载波观测信号进行差分处理 ,实时求解出两站间的基线值 ,进而由基准站的坐标求得流动站的 WGS-84坐标 ,通过坐标转换 ,即可实时求得实用的坐标并给出相应的点位精度。基于 RTK的工作原理
13、 ,流动站与基准站是一种相对的关系 ,流动站的绝对精度取决于基准站的绝对 精度 ,而地方格网坐标与 GPS工作坐标 (WGS-84坐标 )也是一种相对关系。因此 ,任意基准站法就是在不需要精确 WGS-84坐标的时候利用这种相对关系。任意基准站法大概分两种情况 :已有坐标转换关系和没有坐标转换关系。 GPS任意基准站法的优越性在于灵活机动 ,应用方便 ,高效且相对精度高。这一简单且高效的技术随着测绘的发展会得到广泛的应用。 3.2.2双基准站 由于 GPS RTK 技术具有快速、实用、简单、准确、高效等特点 , 目前已被广大测绘工作者所普遍采用。但是在实际作业中 , 由于受一些不可预见性 因素
14、及特殊地域、采集时段等多种条件的影响 , GPS RTK 接收机采集到的数据有时会发生“理论上是正确的、实际上是错误的”所谓伪数据现象 , 这种伪数据现象的出现一般都比较偶然 ,不易或者不能及时地被发现 , 导致事后返工重测。为了确保 GPS RTK 测量成果的正确可靠 , 采用 GPS RTK 双基准站的方法 , 就可以有效地控制这种伪数据现象的发生 , 从而提高工作效率。 第 6 页 共 11 页 为验证 GPS 接收机的性能，探索提高 RTK定位精度和可靠性的方法，我们进行了双基准站 RTK 测量实验，本次试验是以江浙某区域内所布设的 43 个 I 级点的 GPS 网，作为 RTK 实时
15、动态测量定位试验网，观测采用 TOPCONHIPER GD 双频 RTK 接收机 1+1 配置，即一台基准站与一台流动站。双基准站 RTK 测量的提出是在目前单基准站 RTK 测量缺乏检测条件和为满足高精度测量的要求下而提出来的，它的原理可以简单描述为单个基准站分两次 (在不同的时间段 )设置在两个不同的已知点上，两次都独立的进行坐标参数的转换和待测点的采集，对两次成果进行比较分析，如果两次的观测值之差在误差允许的范围内，就以两次观测成果的平均值作为最后的观测结果。 双准站 RTK 高程测量其平面精度与静态 E 级网定位精度相当，能够满足四等水准测量的要求。而且双基准站 RTK 技术的测量误差
16、均匀、独立，减小误差积累，精度可信程度较高；双基准站 RTK 能够实时地提供测量成果，不需要分级布网，可以大大减少生产成本，减轻作业员的劳动强度，提高测量速度和工作效益； 双基准站 RTK 两次测量为等精度观测，但是双基准站 RTK 是建立在单基准站 RTK的基础上，所以它并不能完全消除单基准 RTK测量的各种因素的影响。 3.3 GPS RTK 虚拟基准站法 该方法的原理就是在测区的最高 处架设一个 RTK 虚拟基准站（该基准站的坐标是未知的，架设在测区最高处是为了解决基准站电台尽可能辐盖较远的范围），然后是流动站的设置。其次，流动站开始接收虚拟基准站的数据，注意必须保证所有流动站接收的基准
17、站坐标一致。接下来就可以分开作业了。在作业过程中要安排至少 2 个流动站采集 4 个（含 4 个）以上的已知点备用（采用 2 个流动站采集已知点坐标是为了防止单台仪器出错所引起的粗差，也就是增加相互检核的条件）。最后就是内业的坐标转换，一般采用七参数的转换方法就可以了。使用该方法测量，我们是在 10km 的半径范围内 进行的实验的，如果超出 10km 的范围，甚至于更大的范围内，使用该种方法其结果是否仍然能满足技术要求还需做进一步的研究，希望有兴趣的测绘同仁去试验和研究方能得出进一步的科学结论。在实际工作中还会遇见像放线这样的工作，必须要在已知点上设站才能完成这项工作，也可第 7 页 共 11
18、 页 以通过 GPS RTK 虚拟基准站法来实现。只是需要先通过采集已知点的坐标，进而完成虚拟基准站的参数转换，最终得到虚拟基准站的实际坐标，然后就可以像常规 GPS RTK 那样作业了。由上可见，使用 GPS RTK 虚拟基准站法极好地解决了常规 GPS RTK 在 工作中所存在的缺陷，大大地提高了 GPS RTK 的工作效率。 3.3.1常规 GPS RTK 基准站法和 GPS RTK 虚拟基准站法工作流程对比如下所示： （ 1）常规 GPS RTK 基准站法（已知点）基准站 发送信号流动站 实时解算流动站点实际坐标 （ 2） GPS RTK 虚拟基准站法（未知点）基准站 发送信号流动站
19、实时解算流动站点相对坐标 七参数转换流动站点实际坐标由以上的流程可以看出， GPS RTK 虚拟基准站法实际上就是先实时解算出流动站相对于基准站的相对坐标，以确定其转换关系，然后通过七参数转换的后处理办法，从而得到流动站的实际坐标。 3.3.2GPS RTK 虚拟基准站法在测区的实际运用 某测区要利用 GPS RTK 进行图根点的布测，主要分布在 20 千米范围内的一条带状上。测区内仅有 5 个四等点（ 3033、 3035、 G001、G255、 G280），四等点仅有地方坐标系成果，无 WGS-84 坐标，而且该5 个已知点都处在较低的地方，无法架设基准站，显然使用常规的 GPS RTK
20、进行施测的话，难度极大，而且经费开支也会较大。现在我们利用 GPS RTK 虚拟基准站法来解决该测区的实际问题。 首先是在小比例的地形图上在测区中部选择一个较高的山头架设虚拟基准站，然后按照 GPS RTK 虚拟基准站法的要求设置参数，进行野外站点的采集工作，最后是转换参数的计算。 3.4 单基准站 3.4.1单基准站 单基准站（ DGPS） 1是“ Differential Positioning”的简称，是一种用于改善定位和导航精度的技术措施、多基准站的局部区域差分网（ LADGPS）和广域差分网（ WADGPS）。 RTK 是 GPS 实时处理定位的简称 RTK 为英文（ RealTime Kinematic）的简写。这是一种 将 RTK 与数据传输技术相结合的实时载波相位测量的差分 GPS 定位，同时实
