新手留步!RTK八大基础知识要知道

“RTK作为现代化测量中的测绘仪器,已经非常普及.RTK在测量中的优越性也是不言而喻。为了能让RTK的优越性能在使用中充分的发挥出来,为了能让RTK使用人员能灵活的应用RTK,我认为RTK使用人员必须了解以下的基本知识:

01
GPS的概念及组成

GPS(GlobalPositioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外,利用该系统,用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。
GPS计划始于1973年,已于1994年进入完全运行状态(FOC[2])。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:

空间部分
GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗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。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。

控制部分
GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。(更多干货敬请关注公众号:GIS前沿)监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

用户部分
GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

02
GPS发射的信号
GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:

C/A码
C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

P码
P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。

Y码
见P码。

导航信息
导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。

03
GPS定位的原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如下图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:

上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下:
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。
Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,而为得到更高的定位精度,我们通常采用差分GPS技术:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。差分GPS分为两大类:伪距差分和载波相位差分。

1. 伪距差分原理
这是应用最广的一种差分。在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度。(更多干货敬请关注公众号:GIS前沿)这种差分,能得到米级定位精度,如沿海广泛使用的“信标差分”。

2.载波相位差分原理
载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

04
GPS定位的误差源
我们在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类:

一、与GPS卫星有关的因素
1.SA政策
美国政府从其国家利益出发,通过降低广播星历精度(技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动(技术)等方法,人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。
2.卫星星历误差
在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。
3.卫星钟差
卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。
4.卫星信号发射天线相位中心偏差
卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

二、与传播途径有关的因素
1.电离层延迟
由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。
2.对流层延迟
由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。
3.多路径效应
由于接收机周围环境的影响,使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响,这就是所谓的多路径效应。

三、与接收机有关的因素

1.接收机钟差
接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。
2.接收机天线相位中心偏差
接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。
3.接收机软件和硬件造成的误差
在进行GPS定位时,定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

四、其它

1.GPS控制部分人为或计算机造成的影响
由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。
2.数据处理软件的影响
数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

05
GPS测量中坐标系统、坐标系的转换过程

引用:摘要:GPS在测量领域得到了广泛的应用,本文介绍将GPS所采集到的WGS-84坐标转换成工程所需的坐标的过程。
关键词:GPS 坐标系统坐标系转换

一、概述GPS及其应用

GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从本世纪70年始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成的卫星导航定位系统。作为新一代的卫星导航定位系统经过二十多年的发展,已成为在航空、航天、军事、交通运输、资源勘探、通信气象等所有的领域中一种被广泛采用的系统。我国测绘部门使用GPS也近十年了,它最初主要用于高精度大地测量和控制测量,建立各种类型和等级的测量控制网,现在它除了继续在这些领域发挥着重要作用外还在测量领域的其它方面得到充分的应用,如用于各种类型的工程测量、变形观测、航空摄影测量、海洋测量和地理信息系统中地理数据的采集等。GPS以测量精度高;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、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖。

二、GPS测量常用的坐标系统

1.WGS-84坐标系
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84(世界大地坐标系-84),它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立,于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点,Y轴与X轴和Z轴构成右手系。采用椭球参数为:a = 6378137m f =1/298.257223563

2.1954年北京坐标系
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系,是一种参心坐标系统。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,该椭球的参数为:a = 6378245m f =1/298.3.我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的。

3.地方坐标系(任意独立坐标系)
在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等,或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。

三、坐标系统的转换

在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据,而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方(任意)独立坐标系为基础的坐标数据。因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方(任意)独立坐标系。

目前一般采用布尔莎公式(七参数法)完成WGS-84坐标系到北京54坐标系的转换,得到北京54坐标数据。
XBJ54=XWGS84+KXWGS84+Δx+YWGS84ξZ"/ρ"-ZWGS84ξY"/ρ"
YBJ54=YWGS84+KYWGS84+ΔY-XWGS84ξZ"/ρ"+ZWGS84ξX"/ρ"
ZBJ54=ZWGS84+KZWGS84+ΔZ+XWGS84ξY"/ρ"-ZWGS84ξX"/ρ"

四、坐标系的变换
同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式,一种形式实际上就是一种坐标系。如空间直角坐标系(X,Y,Z)、大地坐标系(B,L)、平面直角坐标(x,y)等。通过坐标统的转换我们得到了BJ54坐标系统下的空间直角坐标,我们还须在BJ54坐标系统下再进行各种坐标系的转换,直至得到工程所需的坐标。
1.将空间直角坐标系转换成大地坐标系,得到大地坐标(B,L):
L=arctan(Y/X)
B=arctan{(Z+Ne2sinB)/(X2+Y2)0.5}
H=(X2+Y2)0.5sinB-N
用上式采用迭代法求出大地坐标(B,L)
2.将大地坐标系转换成高斯坐标系,得到高斯坐标(x,y)
按高斯投影的方法求得高斯坐标,x=F1(B,L),y=F2(B,L)
3.将高斯坐标系转换成任意独立坐标系,得到独立坐标(x',y')
在小范围内测量,我们可以将地面当作平面,用简单的旋转、平移便可将高斯坐标换成工程中所采用坐标系的坐标(x',y'),
x'=xcosα+ysinα
y'=ycosα-xsinα

五、小结

由于GPS测量的种种优点,GPS 定位技术现已基本上取代了常规测量手段成为了主要的技术手段,市面上出现了许多转换软件和不同型号的GPS数据处理配套软件(包含了怎样将GPS测量中所得到的WGS-84转换成工程中所须坐标的功能),(更多干货敬请关注公众号:GIS前沿)万变不离其宗,只要我们明白了WGS-84转换到独立坐标系的转换过程,便可很容易的使用该软件了,甚至可以自己编写程序,将WGS-84坐标转换成独立坐标系坐标

06
GPS高程测量

一、高程系统

1、高程系统

(1)大地高(Hg)
(2)正常高/正高(Hr/hg)

2、大地高系统
大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高,大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量,不具有物理意义,同一个点,在不同的基准下,具有不同的大地高。

3、正高系统
正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离,正高用符号hg表示。

4、正常高系统
正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离,正常高用Hr表示。

5、高程系统之间的转换关系
Hr=H-r
Hg=H-hg

二、GPS测高方法

1、等值线图法
从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距,然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。
在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题:
(1)注意等值线图所适用的坐标系统,在求解正常高或正高时,要采用相应坐标系统的大地高数据。
(2)采用等值线图法确定正常高或正高,其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。

2、大地水准面模型法
地球模型法本质上是一种数字化的等值线图,目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过可惜的是这些模型均不适合于我国。

3、拟合法
(1)基本原理
所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中,高程异常具有一定的几何相关性这一原理,采用数学方法,求解正高、正常高或高程异常
(2)注意事项
–适用范围
上面介绍的高程拟合的方法,是一种纯几何的方法,因此,一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区(如平原地区),其拟合的准确度可达到一个分米以内。对于高程异常变化剧烈的地区(如山区),这种方法的准确度有限,这主要是因为在这些地区,高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。
– 选择合适的高程异常已知点
所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中,一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现,为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点,它们应均匀分布,并且最好能够将整个GPS网包围起来。
–高程异常已知点的数量
若要用零次多项式进行高程拟合时,要确定1个参数,因此,需要1个以上的已知点;若要采用一次多项式进行高程拟合,要确定3个参数,需要3个以上的已知点;若要采用二次多项式进行高程拟合,要确定6个参数,则需要6个以上的已知点。
–分区拟合法
若拟合区域较大,可采用分区拟合的方法,即将整个GPS网划分为若干区域,利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值,从而确定出它们的正常高。下图是一个分区拟合的示意图,拟合分两个区域进行,以虚线为界,位于虚线上的已知点两个区域都采用。

07
RTK的工作原理和精度分析

经常有一些客户会打电话给我询问一些有关RTK的精度问题,根据我的总结,这些客户对RTK的原理掌握不够深刻,对一些能反映RTK精度的指标也理解不透.在此我对RTK的原理及精度简要的阐述一下,希望能抛砖引玉,对大家有所帮助.
RTK是实时动态测量,其工作原理可分为两部分阐述。

一、实时载波相位差分
我们知道,在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响(见上节中的GPS误差源),为了消除这些误差源,必须使用两台以上的GPS接收机同步工作.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。
也就是说,两台接收机(一台基准站,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。在这一过程中,由于观测条件、信号源等的影响会有误差,即为仪器标定误差,一般为平面1cm+1ppm,高程2cm+1ppm.
二、坐标转换
空间相对位置关系不是我们要的最终值,因此还有一步工作就是把空间相对位置关系纳入我们需要的坐标系中。GPS直接反映的是WGS-84坐标,而我们平时用的则是北京54坐标系或西安80坐标系,所以要通过坐标转换把GPS的观测成果变成我们需要的坐标。这个工作有多种模型可以实现,我们的软件采用的是平面与高程分开转换,平面坐标转换采用先将GPS测得成果投影成平面坐标,再用已知控制点计算二维相似变换的四参数,高程则采用平面拟合或二次曲面拟合模型,利用已知水准点计算出该测区的待测点的高程异常,从而求出他们的高程。坐标转换也会带来误差,该项误差主要取决于已知点的精度和已知点的分布情况。
从上可以看出,RTK的测量精度包括两个部分,其一是GPS的测量误差,其二是坐标转换带来的误差。
对于南方RTK设备来说,这两项误差都能够反映,GPS的测量误差在实时测量时可以从手簿上的工程之星中看得到(HRMS 和 VRMS).对于坐标转换误差来说,又可能有两个误差源,一是投影带来的误差,二是已知点误差的传递。当用三个以上的平面已知点进行校正时,计算转换四参数的同时会给出转换参数的中误差(北方向分量和东方向分量,必须通过控制点坐标库进行校正才能得到)。值得注意的是,如果此时发现转换参数中误差比较大(比如,大于5cm),而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内,则可以判定是已知点的问题(有可能找错点或输错点),有可能已知点的精度不够,也有可能已知点的分布不均匀。当平面已知点只有两个时,则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件,无多余条件,也就不能给出坐标转换的精度评定,此时,可以从查看四参数中的尺度比ρ来检验坐标转换的精度,该值理想值为1,如果发现ρ偏离1较多(比如:|ρ-1|≧1/40000,超出了工程精度),则在保证GPS测量精度满足要求的情况下,可判定已知点有问题。
总结得到:
为了保证RTK的高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定.如果利用两点校正,一定要注意尺度比是否接近于1。

08
RTK测量注意事项

一. 参考站要求
参考站的点位选择必须严格。因为参考站接收机每次卫星信号失锁将会影响网络内所有流动站的正常工作。
1..周围应视野开阔,截止高度角应超过15度,周围无信号反射物(大面积水域、大型建筑物等),以减少多路径干扰。并要尽量避开交通要道、过往行人的干扰。
2.参考站应尽量设置于相对制高点上,以方便播发差分改正信号。
3.参考站要远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200米外,要远离高压输电线路、通讯线路50米外。
4.RTK作业期间,参考站不允许移动或关机又重新启动,若重启动后必须重新校正。
5.参考站连结必须正确,注意虚电池的正负极(红正黑负).
6.参考站主机开机后,需等到差分信号正常发射方可离开参考站,S82表现为DL指示灯每5秒钟快闪2次.S86表现为RX指示灯每5秒钟快闪2次.

二.流动站要求
1.在RTK作业前,应首先检查仪器内存容量能否满足工作需要,并备足电源。
2.在打开工程之星之后,首先要确保手簿与主机蓝牙连通。
3.为了保证RTK的高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定.如果利用两点校正,一定要注意尺度比是否接近于1.
4.由于流动站一般采用缺省2m流动杆作业,当高度不同时,应修正此值。
5. 在信号受影响的点位,为提高效率,可将仪器移到开阔处或升高天线,待数据链锁定达到固定后,再小心无倾斜地移回待定点或放低天线,一般可以初始化成功。

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