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文檔簡介
1、幾種現(xiàn)代 GPS 測量方法和技術(shù)隨著科技的發(fā)展,GPS 測量技術(shù)和方法也在不斷的改進(jìn)和更新,目前用得最多的 GPS 測量技術(shù)方法有如下幾種:靜態(tài)和快速靜態(tài)定位,差分 GPS,RTK,網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)等等,下面將逐一介紹:1.靜態(tài)與快速靜態(tài)定位技術(shù)所謂靜態(tài)定位,就是在進(jìn)行 GPS 定位時(shí),認(rèn)為接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測進(jìn)程中的位置是保持不變的。也就是說,在數(shù)據(jù)處理時(shí),將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量。在測量中,靜態(tài)定位一般用于高精度的測量定位,其具體觀測模式是多臺(tái)接收機(jī)在不同的觀測站上進(jìn)行靜止同步觀測,觀察時(shí)間有幾分鐘、幾小時(shí)到數(shù)十小時(shí)不等。由于普通的靜態(tài)定位技術(shù)需要的觀測時(shí)間較
2、長,影響了其在低等級(jí)控制測量(如三四等控制測量,I、II 級(jí)導(dǎo)線等)中的競爭力,從而產(chǎn)生了快速靜態(tài)定位技術(shù)??焖凫o態(tài)利用載波相位觀測值本身的具有的毫米級(jí)或更好的精度,故只需一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)歷元的觀測值就可滿足厘米級(jí)定位的需求。目前快速靜態(tài)定位主要有下列兩種方法。goandstop 法該法是首先通過初始化來確定基準(zhǔn)站和流動(dòng)站間的雙差整周模糊度。然后要求流動(dòng)站在遷站過程中保持對(duì)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。這樣我們就利用在連續(xù)跟蹤過程中整周模糊度保持固定不變的特性將其傳遞到待定點(diǎn)去。由于在待定點(diǎn)上無需重新確定整周模糊度,故有幾個(gè)歷元的載波相位觀測值即可在短基線上獲得厘米級(jí)精度的相對(duì)定位結(jié)果。FARA 法該法在觀測
3、值非常多時(shí),可以大大減少計(jì)算工作量。采用這種方法時(shí)所需的觀測時(shí)間稍長,例如雙頻觀測時(shí) 5-10 分鐘,單頻觀測時(shí) 10-20 分鐘。但遷站時(shí)無需開機(jī),只需像普通靜態(tài)定位那樣組織觀測即可。2、差分 GPS 與偽距差分原理根據(jù)差分 GPS 基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式差分 GPS 定位可分為:位置差分、偽距差分、相位平滑偽距差分、載波相位差分。它們都是由基準(zhǔn)站發(fā)送改正數(shù),由移動(dòng)站接收并對(duì)其測量結(jié)果進(jìn)行修正。以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是,發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣。其差分定位精度也不同。下面?zhèn)尉嗖罘譃槔饕越榻B:偽距差分是目前最廣泛采用的一種技術(shù)。幾乎所有的商用差分 GPS 接收機(jī)均采用這種技術(shù)。在基準(zhǔn)
4、站上的接收機(jī)計(jì)算得它至可見衛(wèi)星的距離,并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶,用戶利用此測距誤差來修正測量的偽距,再利用修正后的偽距求解出自身的位置,就可消去公共誤差,提高定位精度?;鶞?zhǔn)立的 GPS 接收機(jī)測量出全部衛(wèi)星的偽距 pi 和收集全部衛(wèi)星的星歷文件(A,e,3,i,t 等)。同時(shí)利用每一時(shí)刻計(jì)算的衛(wèi)星地心坐標(biāo)和基準(zhǔn)站的已知地心坐標(biāo)反求出每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的估 at 距離Di:Di=式中上標(biāo) i 表示第 i 顆衛(wèi)星,下同?;鶞?zhǔn)站 GPS 接收機(jī)測量的偽距 pi,包括各種誤差,與估計(jì)距離 Di 求差可以得到偽距的改正數(shù)。蟲戶1=D1-*1同時(shí)可求出
5、偽距改正數(shù)的變化率基準(zhǔn)站將 Api 和 pi 傳送給移動(dòng)站,移動(dòng)站測量出的偽距再加上以上的改正數(shù),便求得經(jīng)過改正的偽距:段二只+奶飛)利用修正后的偽距,只要觀測 4 顆以上的衛(wèi)星就可以按下式計(jì)算移動(dòng)站的坐標(biāo)。式中,為鐘差,為接收機(jī)噪聲。這種差分的優(yōu)點(diǎn)如下:(1)由于計(jì)算的偽距改正數(shù)是直接在 WGS84 坐標(biāo)系上進(jìn)行的,這就是說得到的是直接改正數(shù),不用先變換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),因此能達(dá)到很高的精度。(2)這種改正數(shù)能提供pi和Api,這使得在未得到改正數(shù)的空隙內(nèi),繼續(xù)進(jìn)行精密定位。這達(dá)到了RTCMSC-104 所制定的標(biāo)準(zhǔn)。(3)基準(zhǔn)站能提供所有衛(wèi)星的改正數(shù),而用戶可允許接收任意 4 顆衛(wèi)星進(jìn)行改正,不
6、必?fù)?dān)心兩者是否完全相同。因此,用戶可采用具有差分功能的簡易接收機(jī)即可。3、RTK 定位技術(shù)RTK 定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級(jí)精度。在 RTK 作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集 GPS 觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果,歷時(shí)不到一秒鐘。流動(dòng)站可處于靜止?fàn)顟B(tài),也可處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài);可在固定點(diǎn)上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動(dòng)態(tài)作業(yè),也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī),并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成周模糊度的搜索求解。在整周
7、末知數(shù)解固定后,即可進(jìn)行每個(gè)歷元的實(shí)時(shí)處理,只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形,則流動(dòng)站可隨時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。RTK 技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),RTK 定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值,相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī),數(shù)據(jù)量比較大,一般都要求 9600 的波特率,但這在無線電上是不難實(shí)現(xiàn)的。4.網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)GPS 的網(wǎng)絡(luò) RTK 也稱基站 RTK,它的出現(xiàn)將使一個(gè)地區(qū)的所有測繪工作成為一個(gè)有機(jī)的整體, 結(jié)束了以前GPS 作業(yè)單打獨(dú)斗的局面。同時(shí)它將大大擴(kuò)展 RTK 的作業(yè)范圍。使 GPS 的應(yīng)用更廣泛.精度和可靠性將進(jìn)一
8、步提高,使從前許多 GPS 無法完成的任務(wù)成為可能。最重要的是.在具備了上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),建立 GPS 網(wǎng)絡(luò)成本得以極大的降低。網(wǎng)絡(luò) RTK 的基本原理是在一個(gè)較大的區(qū)城內(nèi)能稀疏地、較均勻地布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站,構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng),然后借鑒廣域差分 GPS 和具有多個(gè)基準(zhǔn)立的局域差分 GPS 中的基本原理和方法來設(shè)法消除或削弱各種系統(tǒng)誤差的影響,獲得高精度的定位結(jié)果。網(wǎng)絡(luò) RTK 是由基淮站網(wǎng)、 數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信線路組成的。 基準(zhǔn)站上應(yīng)配備雙頻全波長 GPS 接收機(jī)。該接收機(jī)最好能同時(shí)提供精確的雙頻偽距觀測值?;鶞?zhǔn)站的站坐標(biāo)應(yīng)精確已知。其坐標(biāo)可采用長時(shí)間 GPS 靜態(tài)相對(duì)定位等方法來確定。此外,這
9、些站還應(yīng)配備數(shù)據(jù)通信設(shè)備及氣象儀器等?;鶞?zhǔn)站應(yīng)按規(guī)定的采樣率進(jìn)行連續(xù)觀測,并通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)將觀測資料傳送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)流動(dòng)立送來的近似坐標(biāo)(可據(jù)偽距法單點(diǎn)定位求得)判斷出該站位于由哪三個(gè)基準(zhǔn)站所組成的三角形內(nèi)。然后根據(jù)這三個(gè)基準(zhǔn)站的觀測資料求出流動(dòng)站處所受到的系統(tǒng)誤差,并播發(fā)給流動(dòng)用戶來進(jìn)行修正以獲得精確的結(jié)果。有必要時(shí)可將上述過程迭代一次?;鶞?zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)通信可采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) DON 或無線通信等方法進(jìn)行。流動(dòng)站和數(shù)據(jù)處理中心間的雙向數(shù)據(jù)通信則可通過移動(dòng)電活 GSM、GPRS 等方式進(jìn)行。其中 VRS 是網(wǎng)絡(luò) RTK 中一種很好的方法。當(dāng)流動(dòng)站離基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)時(shí)
10、,由于兩站間的誤差相關(guān)性減小,殘余的衛(wèi)星星歷誤差、電離層延遲、對(duì)流層延遲等偏差對(duì)相對(duì)定位的影響增加,從而使常規(guī) RTK 的定位精度降低。為解決這一問題.就必須增設(shè)一些基準(zhǔn)站,以便用戶能利用這些基準(zhǔn)站所提供的信息采用一定的算法來消除或大幅削弱這些偏差項(xiàng)所造成的影響。VRS 則是設(shè)法在流動(dòng)站附近建立一個(gè)虛擬的基準(zhǔn)站,并根據(jù)周圍各基準(zhǔn)站上的實(shí)際觀測值算出該虛擬基準(zhǔn)站上的虛擬觀測值。由于虛擬站離流動(dòng)站很近.一般僅相距數(shù)米至數(shù)十米。故動(dòng)態(tài)用戶只需采用常規(guī) RTK 技術(shù)就能與虛擬基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位,從而獲得較準(zhǔn)確的定位結(jié)果。我國第一個(gè)實(shí)時(shí)型 VRS 當(dāng)屬于廣東省深圳市。深圳 VRS 又稱為 szcor
11、s,由 5 個(gè)永久基準(zhǔn)站組成,基準(zhǔn)站分布如下圖所示。目前該網(wǎng)已投入與運(yùn)行,市場反應(yīng)良好。關(guān)于RTK的工作原理和精度分析(以南方RTK為例)經(jīng)常有一些客戶會(huì)打電話給我詢問一些有關(guān) RTK 的精度問題,根據(jù)我的總結(jié),這些客戶對(duì) RTK 的原理掌握不夠深刻,對(duì)一些能反映 RTK 精度的指標(biāo)也理解不透.在此我對(duì) RTK 的原理及精度簡要的闡述一下,希望能拋磚引玉,對(duì)大家有所幫助.RTK 是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量,其工作原理可分為兩部分闡述。一、實(shí)時(shí)載波相位差分我們知道,在利用 GPS 進(jìn)行定位時(shí),會(huì)受到各種各樣因素的影響(見上節(jié)中的 GPS 誤差源),為了消除這些誤差源,必須使用兩臺(tái)以上的 GPS 接收機(jī)同步工
12、作.GPS 靜態(tài)測量的方法是各個(gè)接收機(jī)獨(dú)立觀測,然后用后處理軟件進(jìn)行差分解算。那么對(duì)于 RTK 測量來說,仍然是差分解算,只不過是實(shí)時(shí)的差分計(jì)算。也就是說,兩臺(tái)接收機(jī)(一臺(tái)基準(zhǔn)站,一臺(tái)流動(dòng)站)都在觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù),同時(shí),基準(zhǔn)站通過其發(fā)射電臺(tái)把所接收的載波相位信號(hào)(或載波相位差分改正信號(hào))發(fā)射出去;那么,流動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)也通過其接收電臺(tái)接收基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào);在這兩信號(hào)的基礎(chǔ)上,流動(dòng)站上的固化軟件就可以實(shí)現(xiàn)差分計(jì)算,從而精確地定出基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的空間相對(duì)位置關(guān)系。在這一過程中,由于觀測條件、信號(hào)源等的影響會(huì)有誤差,即為儀器標(biāo)定誤差,一般為平面 1cm+1ppm,高程 2cm+1ppm.二、坐
13、標(biāo)轉(zhuǎn)換空間相對(duì)位置關(guān)系不是我們要的最終值,因此還有一步工作就是把空間相對(duì)位置關(guān)系納入我們需要的坐標(biāo)系中。GPS 直接反映的是 WGS-84 坐標(biāo),而我們平時(shí)用的則是北京 54 坐標(biāo)系或西安 80 坐標(biāo)系,所以要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換把 GPS 的觀測成果變成我們需要的坐標(biāo)。這個(gè)工作有多種模型可以實(shí)現(xiàn),我們的軟件采用的是平面與高程分開轉(zhuǎn)換,平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用先將 GPS 測得成果投影成平面坐標(biāo),再用已知控制點(diǎn)計(jì)算二維相似變換的四參數(shù),高程則采用平面擬合或二次曲面擬合模型,利用已知水準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算出該測區(qū)的待測點(diǎn)的高程異常,從而求出他們的高程。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也會(huì)帶來誤差,該項(xiàng)誤差主要取決于已知點(diǎn)的精度和已知點(diǎn)的分布情況。
14、從上可以看出,RTK 的測量精度包括兩個(gè)部分,其一是 GPS 的測量誤差,其二是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來的誤差。對(duì)于南方 RTK 設(shè)備來說,這兩項(xiàng)誤差都能夠反映,GPS 的測量誤差在實(shí)時(shí)測量時(shí)可以從手簿上的工程之星中看得到(HRMS 和 VRMS).對(duì)于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差來說,又可能有兩個(gè)誤差源,一是投影帶來的誤差,二是已知點(diǎn)誤差的傳遞。當(dāng)用三個(gè)以上的平面已知點(diǎn)進(jìn)行校正時(shí),計(jì)算轉(zhuǎn)換四參數(shù)的同時(shí)會(huì)給出轉(zhuǎn)換參數(shù)的中誤差(北方向分量和東方向分量,必須通過控制點(diǎn)坐標(biāo)庫進(jìn)5cm) ,而在采集點(diǎn)時(shí)實(shí)時(shí)顯示的測量誤差在標(biāo)稱精度范圍之內(nèi),則可以判定是已知點(diǎn)的問題(有可能找錯(cuò)點(diǎn)或輸錯(cuò)點(diǎn)),有可能已知點(diǎn)的精度不夠,也有可能已知點(diǎn)的分布不均勻。當(dāng)平面已知點(diǎn)只有兩個(gè)時(shí),則只能滿足計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四參數(shù)的必要條件,無多余條件,也就不能給出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度評(píng)定,此時(shí),可以從查看四參數(shù)中的尺度比 p 來檢驗(yàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度,該值理
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