浅析GPSPTK技术的应用

2022-09-10

全球定位系统, 其英文全称为“Navigation by Satellite Timing and Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System/GPS”, 直译为“用卫星定时和测距进行导航”, 简称之为“GPS卫星全球定位系统”。它的含义是利用卫星的测时和测距进行导航, 以构成全球定位系统。

常规的GPS测量方法, 如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度, 而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法, 它采用了载波相位动态实时差分 (Real-time kinematic) 方法, 是GPS应用的重大里程碑, 它的出现为工程放样、地形测图, 各种控制测量带来了新曙光, 极大地提高了外作业效率。

1 GPS系统的组成

1.1 GPS的组成部分

空间部分:21颗工作卫星, 3颗备用卫星, 分别在6条与赤道平面成55度角的轨道平面上运行。每个轨道平面配备3颗卫星, 每隔一条轨道平面配备一颗热备份卫星, 而且卫星轨道呈圆形, 高度19650千米, 卫星轨道周期为12小时。这种配置4小时全球覆盖, 可以保证卫星发射的频率, 分别为1 5 7 5.M K H Z和1 2 2 7.6 M K H Z。

1.2 GPS系统的地面支撑系统

由主控站、全球监测站和地面控制站组成。控制部分的主要任务是, 跟踪所有的卫星进行轨迹和时钟测定, 预测修正模型参数, 时钟同步和卫星加载数据电文等。1.3 GPS系统的用户设备部分 (即GPS接收机) 接收G P S卫星发射信号, 以获得必要的导航和定位信号及观测测量, 经数据处理完成导航和定位工作

GPS接收硬件一般由主机、天线和电源组成。目前, 车载GPS系统可以快速地确定地球表面的特征位置, 并直接以坐标数据输入计算机系统。

2 GPS定位原理

GPS卫星定位是利用测距交会的原理确定点位, 卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息。用户接收后, 经过计算求出接收机制三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。在三维空间中, 当用户至三个位置已知点的距离为已知, 同时又具有用户位置的部分先验知识, 则用户的位置便可被唯一地确定。用户至GPS卫星的距离可以通过测量伪码从卫星至用户的传输延时来确定。由于用户时钟相对于GPS卫星时钟总是存在一定的偏差, 并包含在传输延时之中, 因此这一距离被称为伪距。为了更精确地确定用户至GPS卫星的距离, 还必须解算出这一钟差。设用户位置坐标为Xu, Yu, Zu;钟差为Cb。则通过解式 (1) 的四联方程即可确定用户的位置。

以上的R, i (i为l 2, 3, 4) 是光速与时间差的乘积。

3 RTK技术的优点

大致优点如下:操作简便, 数据处理能力强。常规的水准仪测量、经纬仪测量, 要用笔现场记录, 并进行现场的限差计算。通常测站一人观测, 一人记录, GPS RTK仪器只需一人操作仪器, 测量只要设置限差就可以对数据自地进行取舍和记录。测量结果可以直接导入计算机, 操作方便;GPS RTK测量在一般情况下, 一人操作几秒钟就可测出坐标值;GPS RTK受通视条件、能见度、气候、季节等因素影响小, 适于全天候作业;其作业自动化、集成化程度高、使用范围广及定位精度高, 数据可靠。

4 GPS RTK测量仪器在各种测量中的应用

4.1 公路测量建设中的应用

4.1.1 测量方式

测量人员按照各地市公路部门提供的各级公路和沿途各特征点资料制定线路, 安排日程表, 每天将取得数据输入便携式电脑, 完成移动测量后将全部数据同基准站GPS进行校正, 得出标志点和路线经纬人材文件。

4.1.2 绘制大比例尺地形图

高等级公路选线多是在大比例尺 (通常是1∶2000或1∶1000) 带状地形图上进行。采用实时G P S R T K动态测量, 在沿线每个碎部点上仅需停留几分钟, 即可获得每点坐标, 结合输入的点特征编码及属性信息, 构成碎部点的数据, 在室内即可由绘图软件成图。

4.1.3 工程控制测量

用GPS建立控制网, 最精密的方法应属静态测量。对大型建筑物, 如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制, 宜用静态测量。而一般公路工程的控制测量, 则可采用实时GPS动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度, 即可停止观测, 大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视, 使得测量更简单易行。

4.1.4 公路中线测设

设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路中线在地面标定出来。采用实时GPS测量, 只需将中线桩点的坐标输入GPS接收机中, 系统就会定出放样的点位。由于每个点的测量都是独立完成的, 不会产生累积误差, 各点放样精度一致。

4.1.5 公路纵、横断面测量

公路中线确定后, 利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可绘出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量, 从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时, 也可采用实时GPS测量。

4.1.6 施工测量

实时GPS系统既有良好的硬件, 也有极为丰富的软件可供选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷, 精度可达厘米级。

4.2 地籍测量的应用

在地籍测量应用中, RTK技术可测定每一宗土地的全界址点以及测绘地籍图, 能实时测绘有关界址点的位置并能达到厘米级的精度, 将测得数据处理后可得到及时准确的地籍图和房产图。在卫星信号不好的地方可用常规仪器——全站仪、经纬仪、测距仪等测量工具, 采用解析法或图解法进行细部测量。R T K技术可实时地测定界桩位置, 确定土地使用界范围, 计算用地面积, 使得地籍测量工作变得较轻松。

4.3 地质工程测量的应用

地质工程测量中常常要测量钻孔、探槽、剖面端点、地质点。用常规测量需要不停地搬站, 有时通视条件不好, 需要补测测站点。而R T K测量仪器就不需要每个点都通视, 只需基准站有一仪器, 另一台仪器架在测点上, 测量只需几秒钟。常规测量有时一个点看不到, 要引好几站才能测一个钻孔, 浪费人力、时间。GPS RTK技术已广泛应用于地勘测绘工作中。