利用GPS(RTK)进行工程放样及其精度分析

利用GPS(RTK)进行工程放样及其精度分析
论文关键词：GPS(RTK) 工程放样点放样曲线放样
论文摘要：本论文主要介绍GPS(RTK)的基本原理、系统组成、技术特点、误差来源和使用方法及操作步骤，并利用GPS(RTK)在工程测量中进行点放样、曲线放样，对测量结果进行精度分析。

通过对放样点测量结果的精度分析，得出了GPS(RTK)的测量精度是可以达到工程放样测量的精度要求的结论，并且通过工程实例说明了GPS(RTK)具有工作效率高、定位精度高、全天候作业、数据处理能力强和操作简单易于使用等特点。

通过本文的论述我们了解了如何使用GPS(RTK)进行工程放样测量，并为GPS(RTK)在工程放样测量的可行性进行了论证，拓展了GPS(RTK)在测量领域的应用范围，增强了使用GPS(RTK)的实际操作能力，为以后承担更多的测量工作奠定了基础。

第1章绪论
1.1 概述
全球定位系统（Global Positioning System）是由美国国防部联合美国海、陆、空三军为满足其军事导航定位而建立的无线电导航定位系统。

其系统从1973年开始研究，到1993年完成全部工作卫星组网工作。

该系统由24颗卫星组成，卫星分布在相隔60°的6个轨道面上，轨道倾角55°卫星高度20200km，卫星运行周期11h58m，这样在地球上任何地点、任何时间都可以接收至少4颗卫星运行定位。

由于GPS具有实时提供三维坐标的能力，因此在民用、商业、科学研究上也得到了广泛应用。

它不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。

从静态定位到快速定位、动态定位，GPS技术已广泛应用于测绘工作中。

对于我们所熟知GPS，可以说它是测量史上的一次变革，它为我们提供了全天候、高精度、高效率的测量方法。

但是GPS也有它自己的不足之处，比如说作业时间长、数据要进行内业处理等。

RTK(Real Time kinematic)是GPS发展的最新成果，它弥补GPS原有的不足之处，它不仅具有GPS原有的全天候、高精度、无须光学通视的特点，而且还可以为测量提供实时的定位结果，可以说RTK的产生是GPS应用的拓展，是测量方法的又一次突破，是测量史上的又一次变革。

由于RTK能够实时提供高精度的定位结果，所以有人又称它为“GPS全站仪”。

1.2 RTK应用于工程放样测量的分析
本文将对RTK用于工程测量中的点放样、曲线放样测量做具体的阐述，由于RTK是利用高空中的卫星进行定位的，在定位过程中是有很多干扰因素的存在
的，加之RTK自身的不完善，这样就会影响RTK的定位精度，对于RTK能否达到上述测量工作的精度要求，以及实际应用时能否方便的操作使用，对此，我们要对RTK进行点放样、曲线放样测量的可行性进行实例论证，并制定如下方按。

为了论证RTK用于点放样、曲线放样，我们制定了如下方案：首先用RTK
进行点的放样，并且放样点的数量较多，在放样完后，用高精度的全站仪对放样点进行测量，并把全站仪测量的值看作为放样点的真值，这样我们对点坐标的设计值与全站仪的实际测量值进行对比并进行精度分析，由于放样点较多，我们可以把这些点的点位中误差作为RTK放样的点位中误差，并与《工程测量规范》的规定中误差进行比较，看RTK的放样点位精度能否达到要求。

通过对分析结果的对比，我们得出了RTK的测量精度是可以用于点放样、曲线放样测量的结论，这样我们不仅有了RTK测量的理论依据还具备了RTK测量的实践依据，也为以后使用RTK进行测量工作奠定了基础。

由于RTK可以用于上述等测量，我们以RTK的测量方法与传统的测量方法进行比较，并通过对比说明RTK的特点。

对于工程测量来说，工程放样是必不可少的，一个较大的工程建设，含有大量的工程放样工作，放样质量的好坏直接影响到工程建设的质量，能否高质量，高效率的完成放样工作是我们亟待解决的问题，而工程放样中的最基本的放样就是点放样。

放样就是要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用的常规放样方法很多，如经纬仪交会放样、全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2 -3人配合操作。

同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能实现，在生产应用上效率不是很高。

如果采用RTK
技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输人到电子手簿中，拿着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于RTK是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。

RTK工程放样与“经纬仪加钢尺”或“全站仪”放样相比，可以说是工程放样的一次深远的测量革命，它具有作业简便、直观、高效等诸多优点。

1.3 本章小结
通过本章的论述我们了解了GPS的产生为我们的生产、生活带来了方便。

RTK 的产生是GPS发展的最新成果，本章通过对RTK应用于工程放样中的点放样和曲线放样测量的方按设计，说明了RTK用于上述测量的方法及如何对测量结果的精度进行检验。

对传统测量方法存在的问题进行论述，并结合RTK的技术特点，通过对比分析，说明了RTK用于点放样、曲线放样测量的可行性进行及优点，得出了RTK是可以用于上述等测量的结论。

第2章 RTK的基本原理、误差来源及作业过程
2.1 RTK的基本原理、误差来源及作业过程
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，历时不到一秒钟。

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。

在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持5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 系统可应用于两项主要测量任务，即测点定位和测设放样。

2.1.1 RTK的基本原理、系统组成及工作条件
1、RTK（Real Time Kinematic）技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术，是GPS测量技术发展里程中的一个标志，是一种高校的定位技术。

它是利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站，另一台用来测定未知点的坐标——移动站，基准站根据该点的准确坐标求出其到卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站，移动站根据这一改正数来改正其定位结果，从而大大提高定位精度。

它能够实时的地提供测站点指定坐标系的三维定位结果，并达到厘米级精度。

RTK技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。

修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站，改正移动站接收到的载波相位，再解求坐标；差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站，进行求差解算坐标。

RTK的关键技术主要是初始整周期模糊度的快速解算数据链的优质完成——实现高波特率数据传输的高可靠性和强抗干扰性。

RTK工作原理及模式如2.1所示。

图2.1 RTK工作原理
2、RTK系统主要由三大部分组成：（1）基准站接收机（2）数据链（3）移动站接收机。

3、RTK系统正常工作要具备以下三个条件：第一，基准站和移动站同时接收到5颗以上GPS卫星信号；第二，基准站和移动站同时接收到卫星信号和基准站发出的差分信号；第三，基准站和移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号。

即移动站迁站过程中不能关机，不能失锁。

否则RTK须重新初始化。

2.1.2 RTK的误差来源和测量精度
1、RTK定位的误差，一般分为两类: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、多路径误差、信号干扰和气象因素；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。

对固定基准站而言，同仪器和干扰有关的误差可通过各种校正方法予以削弱，同距离有关的误差将随移动站至基准站的距离的增加而加大，所以RTK的有效作业半径是有限制的（一般为几公里）。

同距离有关的误差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移动站至基准站距离的增加而加大。

(1)同仪器和干扰有关的误差
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测量的定位精度，必须进行天线检验校正。

多路径误：多路径误差是RTK测量中最严重的误差，其大小取决于天线周围的环境，一般为几厘米，高反射环境下可超过lOcm。

多路径误差可通过选择地形开阔、不具反射面的点位、采用具有削弱多径误差的各种技术的天线、基准站附近铺设吸收电波的材料等措施予以削弱。

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。

为了削弱电磁波幅射副作用，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。

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)同距离有关的误差
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1×10 ，就短基线(<LOKM)而言，对结果的影响可忽略不计，但是对20~30KM的基线则可达到几厘米。

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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。

利用下列方法可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，其误差一般小于5×10 。

对流层误差：对流层误差同点间距离和点间高差密切相关，一般可达
3×10 。

2、RTK测量采用求差分法降低了载波相位测量改正后的残余误差及接受机钟差和卫星改正后的残余误差等因素的影响，使测量精度达到厘米级，一般系统标称精度为10mm+2×10 。

工程实践和研究证明RTK测量能达到厘米级精度。

有研究表明，RTK测量的平面精度在数据链信号接收半径小于4km时可保持较高精度，用全站仪检查其中误差在±5cm以内)，大于4km时测量误差明显增大。

另外作业时接收到的卫星数目越少，RTK测量结果误差越大，但只要能接收到5颗以上卫星，得出的固定解就能达到仪器标称精度
2.1.3 RTK的技术特点
1、工作效率高：在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完4km 半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数，移动站一人操作即可，劳动强度低，作业速度快，提高了工作效率。

2、定位精度高：只要满足RTK的基木工作条件，在一定的作业半径范围内（一般为4km ）RTK的平而精度和高程精度都能达到厘米级。

3、全天候作业：RTK测量不要求基准站、移动站间光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此和传统测量相比，RTK测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来难于开展作业的地区，只要满足RTK的基木工作条件，它也能进行快速的高精度定位，使测量工作变得史容易史轻松。

4、RTK测量自动化、集成化程度高，数据处理能力强：RTK可进行多种测量内、外业工作。

移动站利用软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，减少了辅助测量工作和人为误差，保证了作业精度。

5、操作简单，易于使用：现在的仪器一般都提供中文菜单，只要在设站时进行简单的设置，就可方便地获得二维坐标。

数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便地与计算机、其他测量仪器通信。

2.1.4 RTK的局限性和精度保障
当然RTK也有其局限性，会影响到执行上述测量任务的能力。

了解其局限性可确保RTK测量成功。

最主要的局限性其实不在于 RTK 本身，而是源于整个GPS系统。

如前所述，GPS依靠的是接收两万多公里高空的卫星发射来的无线电信号。

相对而言，这些信号频率高、信号弱，不易穿透可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。

事实上，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生不良影响。

有些物体如房屋，会完全屏蔽卫星信号。

因此, GPS不能在室内使用。

同样原因, GPS也不能在隧道内或水下使用。

有些物体如树木会部分阻挡、反射或折射信号。

GPS信号的接收在树林茂密的地区会很差。

树林中有时会有足够的信号来计算概略位置，但信号清晰度难以达到厘米水平的精确定位。

因此，RTK 在林区作业有一定的局限性。

这并不是说，GPS RTK只适用于四周对空开阔的地区。

RTK测量在部分障碍的地区也可以是有效而精确的。

其奥秘是能观测到足够的卫星来精确可靠地实现定位。

在任何时间、任何地区，都可能会有7到10颗GPS卫星可用于RTK测量。

RTK系统的工作并不需要这么多颗卫星。

如果天空中有5颗适当分布的卫星，就可作精确可靠的定位。

有部分障碍的地点只要可以观测到至少5颗卫星，就有可能做RTK测量。

在树林或大楼四周作测量时，只要该地留有足够的开放空间，使RTK系统可观测到至少5颗卫星，RTK 测量就有成功的条件。

在论述RTK技术的原理时，我们知道,RTK测量的关键是确定整周未知数，能否连续地、可靠地接收基准站播发的信号，是RTK能否成功的决定因素。

在实
际应用中，来自各方面的干扰，降低了RTK的可靠性和精度。

研究表明，为了保证地物点的测量精度，我们在选点时要采取以下措施:
1、点位应设在易于安装接收机设备、视野开阔、视场内周围障碍物高度角应小于15°(如可以选在最高建筑物的顶楼)。

2、点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站、微波通道等)，其距离不小于200 m；远离高压电线，距离不小于50m 。

3、点位附近不应有大面积的水域或强烈干扰卫星信号接收的物体。

4、点位选择要充分考虑到与其它测量手段联测和扩展。

5、点位要选在交通方便的地方，以提高工作效率。

6)点位要选在地面地基坚硬的地方，易于点的保存。

除此之外，为了保证地物点的测量精度，我们还要对接收机天线进行校验，选择有削弱多路径误差的各种技术的天线。

同时，我们还要不断利用新的数据处理技术，以削弱各种误差带来的影响。

2.1.5 RTK的作业过程
1、启动基准站
将基准站架设在上空开阔、没有强电磁干扰、多路径误差影响小的控制点上，正确连接好各仪器电缆，打开各仪器。

将基准站设置为动态测量模式。

2、建立新工程，定义坐标系统
新建一个工程，即新建一个文件夹，并在这个文件夹里设置好测量参数[如椭球参数、投影参数等]。

这个文件夹中包括许多小文件，它们分别是测量的成果文件和各种参数设置文件，如*.dat、*.cot、*.rtk、*.ini 等。

3、点校正
CPS测量的为W CS一84系坐标，而我们通常需要的是在流动站上实时显示国家坐标系或地力独立坐标系下的坐标，这需要进行坐标系之间的转换，即点校正。

点校正可以通过两种方式进行。

(1)在已知转换参数的情况下。

如果有当地坐标系统与W CS84坐标系统的转换七参数，则可以在测量控制器中直接输入，建立坐标转换关系。

如果上作是在国家大地坐标系统下进行，而且知道椭球参数和投影方式以及基准点坐标，则可以直接定义坐标系统，建议在RTK测量中最好加入1-2个点校正，避免投影变形过大，提高数据可靠性。

(2)在不知道转换参数的情况下。

如果在局域坐标系统中工作或任何坐标系统进行测量和放样工作，可以直接采用点校正方式建立坐标转换方式，平面至少3个点，如果进行高程拟合则至少要有4个水准点参与点校正。

4、流动站开始测量
(1)单点测量：在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”,再选择“测量点”选项，即可进行单点测量。

注意要在“固定解”状态下，才开始测量。

单点测量观测时间的长短与跟踪的卫星数量、卫星图形精度、观测精度要求等有关。

当“存储”功能键出现时，若满足要求则按“存储”键保存观测值，否则按“取消”放弃观测。

(2)放样测量：在进行放样之前，根据需要“键入”放样的点、直线、曲线、DTM道路等各项放样数据。

当初始化完成后，在主菜单上选择“测量”图标打开，测量方式选择“RTK”,再选择“放样”选项，即可进行放样测量作业。

在作业时，在手薄控制器上显示箭头及目前位置到放样点的方位和水平距离，观测值只需根据箭头的指示放样。

当流动站距离放样点就距离小于设定值时，手薄上显示同心圆和十字丝分别表示放样点位置和天线中心位置。

当流动站天线整平后，十字丝与同心圆圆心重合时，这时可以按“测量”键对该放样点进行实测，并保存观测值。

2.2 本章小结
通过本章的论述我们了解了RTK的基本原理、系统组成及工作条件。

RTK的误差来源有很多种，知道了它们的来源，对于我们采取一定的措施保证RTK的测量精度，提供了理论依据。

RTK的技术特点是RTK优于其他测量技术的概括。

虽然RTK的系统是现代测量的最新成果，但它应有不足之处。

了解了RTK的局限性，使我们知道了对于一些测量RTK也是受到限制的。

RTK的作业过程是使用RTK的基本步骤，也是今后使用RTK所必须进行的操作，通过对作业过程的叙述，使我们初步掌握了RTK的使用方法。

第3章利用RTK进行点放样和曲线放样
3.1 利用RTK进行点放样
建筑物的形状和大小是通过其特征点在实地上表示出来的。

如建筑物的中心、四个角点、转折点等。

因此点放样是建筑物和构筑物放样的基础。

用RTK
进行点位放样同传统放样一样，需要两个以上的控制点，但不同的是传统的方法是通过距离或方向来放样定点，或用全站仪用两点定向后放样定点，而RTK是用2~3个控制点进行点校正，就可在无光学通视（电磁波通视）的条件下进行点位的放样，这是传统方法难以实现的。

3.1.1 点放样工程实例
1、测前准备：获取2~3个控制点的坐标（如果没有已知数据可用静态GPS 先进行控制测量），解算或用相关软件求出放样点的坐标，检查仪器是否能正常使用。

2、站的架设：将基准站架设在较空旷的地方（附近无高大建筑物或高压电线等）
架设完后安装电台，连接好仪器后开启基准站主机，打开电台并设置频率。

3、建立新工程：开启移动站主机，待卫星信号稳定并达到5颗以上卫星时，先连接蓝牙，连接成功后设置相关参数：工程名称、椭球系名称、投影参数设置、参数设置（未启用可以不填写），最后确定，工程新建完毕。

4、输入放样点：打开坐标库，在此我们可以输入编辑放样点，也可以事先编辑好放样点文件，点击打开放样点文件，软件会提示我们是对坐标库进行覆盖或是追加。

5、测量校正：测量校正有两种方法：控制点坐标求校正参数和利用点校正。

第一中方法,利用控制点坐标库(即计算校正参数的一个工具)的做法大致是这样的:假设我们利用A,B这两个已知点来求校正参数，那么我们必须记录下A,B 这两个点的原始坐标(即移动站在Fixed的状态下记录的这两个点的坐标)，先在控制点坐标库中输入A点的已知坐标之后软件会提示你输入A点的原始坐标，然后再输入B点的已知坐标和B点的原始坐标，这样就计算出了校正参数。

第二种方法，利用校正向导校正，此方法又分为基准站在已知点校正和基准站在未知点的校正。

我们这里只说明一下基准站架设在未知点的校正方法。

（1）利用一点进行校正：步骤依次为工具校正向导基准站架设在未知点输入当前移动站的已知坐标待移动站对中整平后并出现固定解校正。

（2）利用两点校正：步骤依次为工具校正向导基准站架设在未知点输入当前移动站的已知坐标待移动站对中整平后并出现固定解下一步将移动站移到下一个已知
点输入当前移动站的已知坐标待移动站对中整平后并出现固定
解校正。

（3）利用三点校正：与利用两点校正相同，只是多增加了一个已知点，多重复了一遍。

6、放样点：选择测量点放样，进入放样屏幕，点击打开按钮目，打开坐标管理库，在这里可以打开事先编辑好的放样文件，选择放样点，也可以点击“增加”输入放样点坐标。

本次工程点的设计坐标值见表3.1。

表3.1 点放样设计坐标
3.1.2 点放样的精度分析
放样完毕后，为了检验用RTK放样点的精度。

我们制定如下方案：用莱卡TC405对放样点进行精确测量（由于测量的目的是检验RTK的点放样精度，所以依然使用RTK所用来校正的基准点作为控制点进行定向，这样可以减少误差的叠加，并将全站仪的测量误差忽略不计，即将全站仪的测量结果看作真值，与点的设计坐标值进行比较）。

点的设计坐标值用X，Y表示，全站仪实际测量值用X`，Y`表示，详细数据见表3.2。

表3.2 点放样设计值与检验值比较。