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GPS技术在地籍测量中的应用研究
发布日期:2019-01-13

1、前言

GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是美国于1994年全面建成,具有全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。我国测绘等部门经过近10年的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘查、地球动力学等多种学科,给测绘领域带来了一场深刻的技术革命。


GPS RTK(RealTimeKinematic,实时动态)技术是在GPS基础上发展起来的,能够实时提供流动站在指定坐标系中的三维定位结果,并在一定范围内达到厘米级精度的一种新的GPS定位测量方式,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,极大地提高了外业作业效率。


目前,常规的GPS测量主要使用静态、快速静态方法来建立二级以上平面控制网,GPS在地籍测量中的应用也仅限于此;GPS RTK技术主要用于地形测量的碎部点采集、施工放样等,而用来代替一、二级加密控制测量、图根控制测量、地籍测量的界址点测量尚处于试验研究阶段。本文以实例,对应用RTK技术测量地籍加密一级控制点、界址点进行了试验性研究,得出了一些有益的结论,为修订地籍测量规范提供参考,同时使其在地籍测量中的应用科学化、规范化。


2、GPS RTK技术的基本原理及测量方法


2.1RTK的基本原理


RTK技术采用差分GPS三类(位置差分、伪距差分和相位差分)中的相位差分。这三类差分方式都是由基准站发送改正数,由流动站接收并对其测量结果进行改正,以获得的定位结果,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。前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低,故RTK采用第三种方法。


RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上,另一台或几台接收机置于流动站上,基准站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号,基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较,得到GPS差分改正值。然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给流动站以精化其GPS观测值,得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态。


RTK分修正法和差分法。修正法是基准站将载波相位修正量发送给流动站,以改正其载波相位,然后求解坐标。差分法是将基准站采集的载波相位发送给流动站进行求差解算坐标。前者为准RTK技术,后者为真正的RTK技术。


2.2 GPS RTK 系统组成


以易测(E-survey)E660接收机为例来说明RTK的系统组成。


2.3 RTK的测量方法


(1)“无投影/无转换”法。直接用接收机在基准站和流动站接收WGS-84坐标,其后利用观测的已知点的WGS-84坐标和相应的地方坐标根据一定的数学模型进行转换。这种方法基准站不一定要安置在已知点上,但根据不同的转换方法,需要观测一定数量的已知点。

(2)“键入参数”法。把用静态观测求得的WGS-84坐标和地方坐标键入到手簿中,进行转换,也可以置入静态观测平差时求取的转换参数。该方法基准站须架设在已知点上,但可以不观测其它已知点(为了检核,建议在方便时还是观测一定量的已知点)。


设置一台GPS接收机作为基准站,并将一些必要的数据如基准站的坐标、高程、坐标转换参数等输入GPS控制手簿,一台或几台GPS接收机设置为流动站。基准站和流动站同时接收卫星信号,基准站将接收到的卫星信号通过基准站电台发送到流动站,流动站将接收到的卫星信号与基准站发来的信号传输到控制手簿进行实时差分及平差处理,实时得到本站的坐标和高程及其精度指标等,并随时将实测精度和预设精度指标进行比较,一旦实测精度达到预设精度指标的要求,手簿将提示测量人员是否接受该成果,接受后手簿将测得的坐标、高程及精度同时存储到手簿中。


2.4流动站距基准站的距离


RTK数据链无线电发射机的工作频率目前采用UHF频段,当功率一定时,发射距离随天线高度增加而增加。


3、应用实例


使用易测(E-survey)E660 GPS接收机,其RTK标称精度为,水平:±5mm+1ppm(2DRMS),垂直:±10mm+1ppm(2DRMS),选择3个以上具有水准高程且均匀分布在RTK测量范围的三、四等GPS点作为公共点,求取七参数进行WGS-84坐标系到地方坐标系的转换。


3.1 GPS RTK代替地籍加密一级导线的实例


3.1.1 实例区概况

实例区以楚雄某镇为中心,1:500数字化地籍测量面积约40km2,主要为居民地、平地、丘陵地、少部分为山地。高差约200米,平均海拨为1850米,实例区附近有足够三、四等GPS点。


3.1.2 一级导线观测情况

RTK分修正法和差分法。修正法是基准站将载波相位修正量发送给流动站,以改正其载波相位,然后求解坐标。差分法是将基准站采集的载波相位发送给流动站进行求差解算坐标。前者为准RTK技术,后者为真正的RTK技术。

在三、四等GPS点下布设一级导线网,导线网水平角采用LeicaTC702及TOPCONGTS322全站仪观测,水平角两测回测定。高程网以测区附近的三等水准点为基准,布设成结点网,按四等光电测距高程导线的要求与水平角同时施测,垂直角中丝法往返观测三测回,边长往返观测一测回。一级导线网共274点,平均边长为350m,测角中误差mβ=±3.0″,平差后最弱点点位中误差wj=±3.22cm,mY=±2.50cm,wjY=±4.08cm,最弱导线路线相对闭合差1:19000;四等光电测距高程导线网最弱点高程中误差mH=±1.61cm。以上精度符合文献[3]的要求。


3.1.3 GPS RTK施测情况

本区用RTK共检测一级导线点47点,流动站距基准距离5.84km,最近距离30m,平均距离2.45km。预置精度为:平面3cm、高程5cm。


3.1.4 RTK测量结果与一级导线比较

将一级导线成果作为真值,RTK成果与其的X、Y、H差值均符合偶然误差的特性,差值为dx=-4.1cm,dy=-4.7cm,dH=-12.4cm,由较差?计算得RTK观测中误差为wj=±=±2.05cm,mY=±1.78cm,wjY=±2.71cm,mH=±4.25cm。

为了进一步检验RTK的精度,同时检测了32条一级导线边长,与全站仪观测边长比差为2.3cm,平均较差5.6mm(平均边长314m,相对中误差1/56000),RTK边长中误差±0.98cm。

由此可以看出,RTK可以代替地籍控制测量的常规一、二级导线测量及图根控制测量。


3.2 GPS RTK采集界址点实例


同一区域,在二级导线以上控制点上,应用GPS RTK技术对一些对能接收卫星信号的界址点进行了检测(流动站距基准站距离2.59Km,,最近距离210m,平均距离1.54km)。全区共检测界址点28点,与用全站仪极坐标法观测的坐标值相比较,其X、Y、H差值也符合偶然误差的特性,差值为dx=-5.0cm,dy=4.2cm,dH=-8.8cm,由较差计算得RTK观测中误差为wj=±2.80cm,mY=±2.14cm,wjY=±3.52cm,mH=±2.95cm。


可见,RTK技术采集的界址点精度符合文献[3]的要求。


4、结束语


通过实例可以得到以下几点结论,供应用GPS RTK技术进行地籍控制测量、地籍测量及修改地籍测量规范时参考。


(1)GPS RTK技术因高效率、灵活、误差不积累、厘米级的高精度越来越受到测绘人员的青睐。RTK高程精度低于平面精度,而地籍测量对高程的精度要求较低。因此,RTK技术应用来进行地籍一、二级控制和界址点测量是目前较为理想的方法,在勘测定界中优势尤为突出。也就是说,RTK测量方法可以替代常规的一二级导线测量及图根控制、界址点测量。


(2)与静态、快速静态GPS测量相比较,RTK无足够的几何检核条件,笔者认为不宜用来作首级控制。在使用RTK布设加密控制点时要加强检核,若代替一、二级点时可以采取在不同的基准站上分别独立施测或设立双基站的方式施测,取中数使用,这样不但避免了粗差,而且使点位精度得到提高。


(3)RTK定位的数据处理主要是基准站和流动站间的单基线处理,而基准站和流动站的观测数据质量及无线电信号的传播质量对定位精度的影响极大。因此,把基准站设立在要进行RTK测量区域的较高点上,提高基准站和流动站天线的架设高度。


(4)RTK测点必须在求取WGS-84坐标到地方坐标系转换参数的高级控制点的范围内,同时尽量均匀分布。


(5)根据(1)式计算的距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值,实际上要根据实地情况来确定。根据该式计算的距离范围只能保证厘米级精度,要满足文献[3]的规定精度,对于一、二级控制点及界址点一般流动站距基准站的距离不要超过8公里,在(1)式计算的范围可以进行地籍细部点测量。