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RTK技术在测绘领域的应用

2020-07-18 16:19210

 

【摘要】本文通过对国内自主研发的单频RTK产品进行实地测试及数据分析,进一步说明RTK的高精度、快速、简洁易用等特性在测绘领域的应用意义。
1   引言
RTK测量技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术。众所周之,GPS测量工作模式有静态、快速静态和动态相对定位等,但用这些测量模式时,如果不与数据传输系统相结合,其定位结果均需要通过测后处理而获得。由于测量数据需要在测后处理,所以上述几种测量模式均无法实时地给出观测站的定位结果,而且也不能对基准站和用户观测数据的质量进行实时地检验,因而难以避免在后处理数据时发现不合格的测量成果,造成需进行返工重测的情况。
过去解决这一问题的措施,主要是延长测量时间,以获得大量的多余数据,来保障测量结果的可靠性,但是这样大大降低了测量工作的效率。
实时动态测量的基本思想是,在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续地观测,并将其测量数据通过无线电传输设备,实时地发送给用户观测站。在用户站上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的测量数据,然后根据相对定位的原理,实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。通过实时计算的定位结果,便可监测基准站与用户站测量数据的质量和解算结果的收敛情况,从而可实时地判定解算结果是否成功,以减少冗余测量,缩短测量时间。
 
2   RTK技术原理
RTK(Real Time Kinematic)实时动态定位技术,是一项以载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术,是利用两台或两台以上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站,其它作为移动站。在RTK作业模式下,基站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站。移动站不仅通过数据链接收来自基站的数据,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,同时给出毫米级的定位结果,历时不到一秒钟。移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。在整周未知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,移动站可随时给出毫米级定位结果。RTK技术受外界条件限制小,只要满足工作条件,就能快速、高精度地完成定位作业。

 

3   RTK测量系统的构成
RTK测量系统主要由三部分构成:
● GPS接收设备;
● 数据传输系统;
● 软件系统。
3.1 GPS接收设备
RTK测量系统中,至少包含二台接收机,分别安置在基站和移动站上。基站应设在测区内地势较高,视野开阔,且坐标已知的点上。在城区可考虑设在楼顶平台上。作业期间,基站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星,并将测量数据通过数据传输系统,实时地发送给移动站。
3.2 数据传输系统
数据传输系统,由基站的发射台和移动站的接收台组成,它是实现实时动态测量的关键设备。
数据传输设备要充分保证传输数据的可靠性,其频率和功率的选择主要决定于移动站与基站间的距离、环境质量及数据的传输速度。
3.3 支持实时动态测量的软件系统
软件系统的质量与功能,对于保障实时动态测量的可行性测量结果的性与可靠性,具有决定性的意义。
 4   RTK产品的测试
此次测试的产品为北京星网宇达科技开发有限公司()提供的XW-GPS1010、XW-GPS1020 RTK系统。此款产品为该公司自主研发,采用单频GPS载波测量技术,作用距离在2Km内静态水平精度为±3mm+1ppm、高程精度为±6mm+1ppm,标称精度可与双频RTK系统相媲美,属于RTK中的产品。
 

 

 

XW-GPS1020指标:
作用距离
2Km
精度
水平精度
±3mm+1ppm
高程精度
±6mm+1ppm
授时精度
50ns
定位时间
热启动
3.5 秒
温起动
33 秒
冷起动
34 秒
信号重捕获
1 秒
接收机性能
16通道L1频率;C/A码
接口特性
TTL;波特率9600~115200bps
灵敏度
捕获灵敏度
-148dBm
跟踪灵敏度
-158dBm
冷启动灵敏度
-142dBm
电气性能
电压
+5VDC
功耗
1.0W(XW-GPS1010 OEM)
1.4W(XW-GPS1020 OEM)
物理指标
尺寸
71×46×10mm(L×W×H)
重量
19±1g(XW-GPS1010 OEM)
22±1g(XW-GPS1020 OEM)
环境参数
工作温度
-40℃~+80
储存温度
-40℃~+125
实验采用定点测试的方法,主要观察RTK系统在城区实际应用中的有效性及测量精度。由于在城区高楼林立、高空遮挡严重,对GPS信号的干扰较为严重,容易造成无法接受卫星信号及楼体对卫星信号的多路径干扰等等,因此,我们的测试地点选为某高层写字楼的楼顶,这样能尽量减少遮挡及多路径干扰等问题。
测试分为5米定点距离测试和变换定点距离测试两种:
5定点距离测试:基站固定不动,在以基站为圆心5米为半径的圆周上随机取三个点,将移动站分别放在三个点上进行测量。
变换定点距离测试:基站固定不动,以基站为原点分别取距其2米、3米、4米三个点,将移动站分别放在这三个点上进行测量。
1)架装天线
在测试场地随机选取一较为开阔地点固定基站,为方便量取所需距离,使用测量型三脚架架起天线,只要保证天线的相位中心与三脚架支点垂直于一线即可。
北京星网宇达科技开发有限公司()提供的GPS接收天线为单频零相位测量型天线,其相位中心即为天线圆盘的中心点,因此我们只需手动调整三脚架为水平即可。
2)连接RTK基站---XW-GPS1010。
该接收机为直流12V供电,一般蓄电池都可以支持,在室外使用非常方便。接收机的外壳上有两个天线接口,一个连接数传电台的天线,另一个为连接GPS接收天线。
 
 
3)连接RTK移动站---XW-GPS1020
在事先测量好距离的点上,用相同的方法固定好天线。然后依次接好数传电台的天线和GPS接收天线。XW-GPS1020也是直流12V供电。
基站与移动站之间的zui大距离为两公里
4)数据的读取
此套RTK系统的上位机软件为北京星网宇达科技开发有限公司()专为该系统自主研发,显示数据齐全,图形清晰,简单易操作。
上电后基站会把卫星误差数据通过无线传输传到移动站,移动站通过内部算法优化后输出的位置信息。这一阶段需要几分钟的解算过程,解算完成后,上位机软件中的GPS状态位将从开始的不可用变为“RTK OK”,即表示为现在的输出数据已达到RTK精度的要求。
 
测试结果
(注:由于量取距离是手工操作,所以允许存在少许误差,不影响zui后的测试结果。)
1)5米定点距离测试
点1

 

结果:在点1处系统的水平精度为1.49mm
点2
 

 

结果:在点2处系统的水平精度为1.39mm
点3
结果:在点3处系统的水平精度为1.84mm
2)变换定点距离测试
2米
结果:在2米距离处系统的水平精度为1.93mm
3
结果:在3米距离处系统的水平精度为3.11mm
4
结果:在4米距离处系统的水平精度为1.49mm
5 结论
经过实际测试,北京星网宇达科技开发有限公司的XW-GPS1010/1020 RTK系统定位精度可达到甚至优于其标称精度。其的可靠性、灵活的组网方式、快捷的本地服务网络,为我国高精度测量设备的研发、推广及应

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