GPS RTK 測量技術規范說明 GPS RTK 測量技術規程 Technical Specifications For GPS RTK Surveys1 總則 1 1 為了 GPS RTK 技術在治黃測繪及其它相關領域內推廣應用 統一 RTK 作業方法 儀 器使用要求 數據處理方法 特制定本規程 1 2本標準參照與引用的標準 1 2 1 全球定位系統 GPS 測量規范 GB T18314 2001 1 2 2 全球定位系統城市測量技術規程 CJJ73 97 1 2 3 公路全球定位系統 GPS 測量規范 JTJ T066 98 1 2 4 全球定位系統 GPS 測量型接收機檢定規程 CH8016 1995 1 3 本規程適用于四等平面以下 等外水準控制測量 放樣測量 地形測量 包括水下地 形測量 斷面測量 以及當采用 RTK 技術輔助水文測驗 河道沖淤監測時亦可參照本規 程 2 術語 2 1全球定位系統 GPS Global Position System GPS 是由美國研制的導航 授時和定位系統 它由空中衛星 地面跟蹤監控站 和用戶站 三部分組成 具有在海 陸 空進行全方位實時三維導航與定位能力 GPS 系統的特點是 高精度 全天候 高效率 多功能 操作簡便 應用廣泛等 2 2 實時動態測量 RTK Real Time Kinematic RTK 定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術 它能夠實時地提供測站點在指 定坐標系中的三維定位結果 并達到厘米級精度 在 RTK 作業模式下 基準站通過數據鏈 將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站 流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的 數據 還要采集 GPS 觀測數據 并在系統內組成差分觀測值進行實時處理 流動站可處于 靜止狀態 也可處于運動狀態 RTK 技術的關鍵在于數據處理技術和數據傳輸技術 2 3 觀測時段 Observation 測站上開始接收衛星信號到停止接收 連續觀測的時間長度 2 4 同步觀測 Simultaneous Observation 兩站或兩站以上接收機同時對同一組衛星進行觀測 2 5 天線高 Antenna Height 觀測時接收機相位中心到測站中心標志面的高度 2 6 參考站 Reference Station 在一定的觀測時間內 一臺或幾臺接收機分別在一個或幾個測站上 一直保持跟蹤觀測衛 星 其余接收機在這些測站的一定范圍內流動作業 這些固定測站就稱為參考站 2 7 流動站 Roving Station 在參考站的一定范圍內流動作業 并實時提供三維坐標的接收機稱為流動接收機 2 8 世界大地坐標系1984 WGS1984 World Geodetic System 1984 由美國國防部在與 WGS72相關的精密星歷 NSWC 9Z 2基礎上 采用1980年大地參考數和 BIH1984 0系統定向所建立的一種地心坐標系 2 9 國際地球參考框架 ITRF YY International Terrestrial Refference Frame 由國際地球自轉服務局推薦的以國際參考子午面和國際參考極為定向基準 以 IERS YY 天 文常數為基礎所定義的一種地球參考系和地心 地球 坐標系 2 10 永久性跟蹤站 Permanent Tracking Station 長期連續跟蹤接收衛星信號的永久性地面觀測站 2 11 廣域增強差分系統 WAAS Wide Area Augmentation Differential GPS System WAAS 系統是將主控站所算得的廣域差分信號改正信息 經過地面站傳輸至地球同步衛星 該衛星以 GPS 的 L1頻率為載波 將上述差分改正信息當作 GPS 導航電文轉發給用戶站 從而形成廣域 GPS 增強系統 美國已計劃將 WAAS 發展成國際標準 是美國 GPS 現代化 計劃的一部分 2 12 局域增強差分系統 LAAS Local Area Augmentation Differential GPS System 將基準站所算得的偽距差分和載波相位差分改正值 C A 碼測距信號 一起由地基播發站 調制在 L1頻道上傳輸給用戶站 2 13 在航初始化 OTF On The Flying 是整周模糊度的在航解算方法 2 14 截止高度角 Elevation Mask Angle 為了屏蔽遮擋物 如建筑物 樹木等 及多路徑效應的影響所設定的角度閥值 低于此角 度視野域內的衛星不予跟蹤 3 坐標系統和時間系統 3 1 坐標系統 3 1 1 RTK 測量采用 WGS84系統 當 RTK 測量要求提供其它坐標系 北京坐標系或1980年 西安坐標系等 時 應進行坐標轉換 各坐標系的地球橢球和參考橢球基本參數 應符合表3 1 1的規定 地球橢球和參考橢球的基本幾何參數 表3 1 1 項目 地球橢球 參考橢球 坐標系名 參數名稱 WGS 84 1980西安坐標系 1954北京坐標系 長半軸 a m 6378137 6378140 6378245 短半軸 b m 6356752 3142 6356755 2882 6356863 0188 扁 率 1 298 257223563 1 298 257 1 298 3 第一偏心率平方 e2 0 00669437999013 0 00669438499959 0 006693421622966 第二偏心率平方 e 2 0 006739496742227 0 00673950181947 0 006738525414683 3 1 2 坐標轉換求轉換參數時應采用3點以上的兩套坐標系成果 采用 Bursa Wolf Molodenky 等經典 成熟的模型 使用 PowerADJ3 0 SKIpro2 3 TGO1 5以上版本 的通用 GPS 軟件進行求解 也可自行編制求參數軟件 經測試與鑒定后使用 轉換參數時 應采用三參 四參 五參 七參不同模型形式 視具體工作情況而定 但每次必須使用一 組的全套參數進行轉換 坐標轉換參數不準確可影響到2cm 3cm 左右 RTK 測量誤差 3 1 3 當要求提供1985年國家高程基準或其它高程系高程時 轉換參數必須考慮高程要素 如果轉換參數無法滿足高程精度要求 可對 RTK 數據進行后處理 按高程擬合 大地水準 面精化等方法求得這些高程系統的高程 3 2 時間系統 3 2 1 RTK 測量宜采用協調世界時 UTC 當采用北京標準時間時 應考慮時區差加以換算 這在 RTK 用作定時器時尤為重要 4 RTK 測量技術設計 4 1 RTK 技術當前的測量精度 RMS 平面 10mm 2ppm 高程 20mm 2ppm 4 2 RTK 測量可用于的測量工作 4 2 1控制測量 RTK 技術可用于四等以下控制測量 工程測量的工作 4 2 2 地形測量 采用 RTK 并配合一定的測圖軟件 可以測設各種地形圖 如普通測圖 線路帶狀地形圖的測設 配合測深儀可以用于水下地形圖 航海海洋測圖等 RTK 外業可 進行屬性編碼 4 2 3 放樣測量 將設計方案放樣到實地 在外業可直接設計線路 增強了設計的應用范 圍 由于 RTK 在行進中不斷計算測站位置 偏移量及填 挖方量 此時放樣可以與設計很 好的結合起來 從 RTK 硬件設備特性和觀測精度 可靠性及可利用性綜合考慮 現階段 RTK 的測量技術 要求如下表 RTK 測量技術設計要求 表4 2 等級 精度要求 距離 km 測回數 四等以下平面控制 最弱點位誤差 5cm 最弱邊相對中誤差 1 4 5萬 8 3 等外水準 30 8 3 圖根控制 測圖控制 像控測量 放樣 中樁測量等 最弱點位誤差 5cm 最弱邊相對中誤差 1 4000 10 2 地形測量 平面 圖上0 5mm 高程 1 3等高距 10 1 4 3 RTK 的測量距離 4 3 1 由于 RTK 數據鏈的傳播限制和定位精度要求 RTK 測量一般不超過10km 各等級測 量要求可按4 1的測量計算某個測區的最長流動站距離 但在中小比例尺測圖時 在等高距 2m 時 可將測距放寬至 15km 當等高距小于2m 時 應 10km 但要注意下列要求 1 GPS 接收機的性能要高 且機內有先進的數學模型 能確保長基線進行正確整周未知 數的求解 2 數據鏈的性能要好 傳送距離要遠 能正確無誤的將參考站的數據發送到流動站 3 根據無線電傳播的規律 參考站和流動站離地面要有一定的高差 4 參考站和流動站之間必須沒有山體 樓群之類的遮擋 另外作業區域內還不能存在強 烈的電磁波等干擾 4 3 2 發射距離與電臺天線的高度也有關系 由于參考站電臺天線發射 UHF 波段差分信號 電波 天線的高度對 RTK 測量距離影響很大 天線高與作用距離服從于下列公式 D 4 24 4 3 2 式中 I1和 I2 分別是基準站和流動站電臺的天線高 單位為 m D 為數據鏈的覆蓋范 圍的半徑 單位為公里 上式是在無障礙物遮擋和無電波干擾的理想條件下的覆蓋范圍 實際應用中將會有所出入 根據測區大小 可設置不同的發射天線高度 4 4 RTK 測量準備 4 4 1 測區內欲用作參考站的控制點應首先進行圖上設計 分析 RTK 鏈的覆蓋范圍 如果 某處距控制點過遠 應加測高等級控制點 再進行 RTK 測量 4 4 2 RTK 測量時應視測量目的 要求精度 衛星狀況 接收機類型 測區已有控制點情況 及作業效率等因素綜合考慮 按照優化設計原則進行作業 4 4 3 當測區內有 GPS 永久性跟蹤站 國家 A 或 B 級網點 GPS 地殼形變監測點時 應首 先選用作參考站點 4 4 4 為了檢驗當前站 RTK 作業的正確性 必須檢查一點以上的已知控制點 或已知任意 地物點 地形點 當檢核在設計限差要求范圍內時 方可開始 RTK 測量 5 參考站的設置要求 5 1 點位要求 5 1 1 參考站的選擇必須嚴格 因為參考站接收機每次衛星信號失鎖將會影響網絡內所有流 動站的正常工作 5 1 2 周圍應視野開闊 截止高度角應超過15 周圍無信號反射物 大面積水域 大型建 筑物等 以減少多路徑干擾 并要盡量避開交通要道 過往行人的干擾 5 1 3 參考站應盡量設置于相對制高點上 以方便播發差分改正信號 5 1 4 參考站要遠離微波塔 通信塔等大型電磁發射源200m 外 要遠離高壓輸電線路 通 訊線路50m 外 5 2 參考站設置 5 2 1 參考站上儀器架設要嚴格對中 整平 5 2 2 GPS 天線 信號發射天線 主機 電源等應連結正確無誤 5 2 3 嚴格量取參考站接收機天線高 量取二次以上 符合限差要求后 記錄均值 5 2 4 參考站的定向指北線應指向正北 偏離不得超過左右10 對無標志線的天線 可預 先設置標志位置 在同一測區內作業期間 應每次標志指向做到基本一致 5 3參考站運行期間作業要求 5 3 1 當為了節省控制器電量或用于流動站時 參考站在工作期間可關閉手持控制器后去掉 5 3 2 盡管各 RTK 設備在設計時考慮到防水 防曬等因素 但作業時應盡量避免烈日暴曬 或雨水淋濕 5 3 3 參考站工作期間 工作人員不能遠離 要間隔一定時間檢查設備工作狀態 對不正常 情況及時作出處理 5 3 4由于參考站除了 GPS 設備耗電外 還要為 RTK 電臺供電 可采用雙電源電池供電 或采用汽車電瓶供電 條件許可時 可采用12V 直流調變壓器直接同市電網路連接供電 6 流動站的設置要求 6 1 流動站作業準備 6 1 1 在 RTK 作業前 應首先檢查儀器內存或 PC 卡容量能否滿足工作需要 6 1 2 由于 RTK 作業耗電量大 工作前 應備足電源 6 2 流動站作業要求 6 2 1 由于流動站一般采用缺省2m 流動桿作業 當高度不同時 應修正此值 6 2 2 在信號受影響的點位 為提高效率 可將儀器移到開闊處或升高天線 待數據鏈鎖定 后 再小心無傾斜地移回待定點或放低天線 一般可以初始化成功 6 2 3 在穿越樹林 灌木林時 應注意天線和電纜勿掛破 拉斷 保證儀器安全 6 3 流動站內置軟件的一般功能要求 6 3 1 三差模型求定近似坐標 6 3 2 雙頻動態解求整周模糊度 6 3 3根據相對定位原理 實時解算 WGS 84坐標 6 3 4根據給定的坐標轉換參數 給出任務 項目 要求的坐標系內坐標 6 3 5坐標精度的評定 6 3 6 測量結果的實時顯示和繪圖 示意 6 3 7 失鎖后的重新初始化 6 3 8 數據 I O 端口 6 4 流動站用作 GIS 采集器時的技術要求 6 4 1 當 RTK 將功能擴展向 GIS 采集器時 要實時輸入點位屬性 文件和定位有關信息 并且實時存儲時間有關信息 不同的 RTK 類型對屬性輸入要求不同 要根據不同的 GIS AutoCAD 軟件要求設置不同的數據格式 6 4 2當 RTK 用于 GIS 采集器時 主要是 GIS 空間和屬性數據 應有下列主要特征 1 輕巧便攜 盡量減少勞動強度 2 精度適中 根據不同的測量地形圖要求選用不同的 RTK 設備 3 操作簡便 簡約式操作 效率要高 4 屬性功能 采集點的類別 種類 高度 坡度 植被覆蓋情況 設施使用情況 歸屬 等文字或數字信息 5 處理簡單 與 GIS 數據庫接口良好 支持國際 國內通用 GIS 軟件格式 6 數據字典 內容豐富 分類詳細 7 RTK 作業 7 1 RTK 作業基本條件要求 7 1 1 RTK 作業的基本條件要求見表7 1 RTK 觀測的基本條件要求 表7 1 觀測窗口狀態 衛星數 衛星高度角 PDOP 值 良好窗口 5 20 以上 5 勉強可用的窗口 4 15 以上 8 避免觀測的窗口 4 15 以上 8 不能觀測的窗口 3 7 1 2 RTK 作業應盡量在天氣良好的狀況下作業 要盡量避免雷雨天氣 夜間作業精度一般 優于白天 7 2 衛星預報 7 2 1 RTK 作業前要進行嚴格的衛星預報 選取 PDOP 6 衛星數 6的時間窗口 編制預 報表時應包括可見衛星號 衛星高度角和方位角 最佳觀測衛星組 最佳觀測時間 點位 圖形幾何圖形強度因子等內容 7 2 2 衛星預報表的有效期以20天為宜 當超過20天時 應重新采集一組新的概略星歷進行 預報 7 2 3 衛星預報時應采用測區中心的經緯度 當測區較大時 應分區進行衛星預報 7 3 RTK 測量初始化 7 3 1 RTK 測量必須在完成初始化后才能進行 初始化可以采用靜態 OTF 兩種 初始化 時間長短與距參考站的距離有關 兩者距離越近 初始化越快 7 3 2 推薦靜態初化化 只有在運動狀態下才進行 OTF 初始化 OTF 方式一般在測量船 汽車等運動載體上使用 7 4 RTK 作業時設備啟動狀況基本要求 7 4 1 開機后經檢驗有關指示燈與儀表顯示正常后 方可進行自測試并輸入測站號 測點號 儀器高等信息 7 4 2 接收機啟動后 觀測員可使用專用功能鍵盤和選擇菜單 查看測站信息接收衛星數 衛星號 衛星健康狀況 各衛星信噪比 相位測量殘差實時定位的結果及收斂值 存儲介 質記錄和電源情況 如發現異常情況或未預料情況 并及時作出相應處理 7 5 RTK 觀測期間的作業要求 7 5 1 不得在天線附近50m 內使用電臺 10m 內使用對講機 7 5 2 天氣太冷時 接收機應適當保暖 天氣太熱時 接收機應避免陽光直接照曬 確保接 收機正常工作 7 5 3 RTK 作業期間 參考站不允許下列操作 1 關機又重新啟動 2 進行自測試 3 改變衛星截止高度角或儀器高度值 測站名等 4 改變天線位置 5 關閉文件或刪除文件等 7 5 4 RTK 工作時 參考站可記錄靜態觀測數據 當 RTK 無法作業時 流動站轉化快速靜 態或后處理動態作業模式觀測 以利后處理 7 5 5 在流動站作業時 接收機天線姿態要盡量保持垂直 流動桿放穩 放直 一定的斜 傾度 將會產生很大的點位偏移誤差 如當天線高2m 傾斜10 時 定位精度可影響 3 47cm S 20 sin10 3 47cm 7 10 7 5 6 RTK 觀測時要保持坐標收斂值 5cm 7 6 RTK 測量放樣 7 6 1 放樣主要進行下列 RTK 工作 1 測線設計 既可在計算機上設計 也可在手簿上設計 2 基準站設置和參數輸入 3 流動站設置和參數輸入 4 按設計測量和采點 線路放樣時測線上按線路測量和采點 5 查看衛星可見狀況顯示 自動接受或用戶自定義容差 均方根誤差 RMS 顯示 6 圖解式放樣 通過前后 左右偏距控制 能快速完成放樣工作 7 存儲點名 點屬性與坐標 7 7 RTK 斷面測量 7 7 1 RTK 斷面測量的工作流程如下 1 建立工作項目 2 進行 RTK 測量 記錄點名 點位屬性信息及三維坐標信息 3 將接收機控制器中的數據傳輸到微機中 4 進行觀測點的篩選 刪除不必要的觀測點 5 形成縱斷面和橫斷面數據文件 根據設計需要 可進一步建立斷面測量資料數據庫 DEM 模型 制作 DLG 圖 7 8 RTK 水下地形測量 7 8 1 RTK 配合數字測深儀進行水下地形測量時 應保證 RTK 與測深儀采集信息同步 根 據不同要求進行驗潮或非驗潮模式下的水深測量 7 8 2 RTK 測深儀進行水下地形測量時 系統主要由3部分組成 1 基臺分系統 基準控制中心 一般設置于岸上 負責計算差分改正數 記錄載波相位等 數據 傳送基準臺定位數據及改正數信息 2 流動臺分系統 流動臺負責位置 航向測量 接收 GPS 定位信號 GPS 差分改正數 記錄定位數據 載波相位數據等 利用航向及距離數據推算目標上其它作業點的準確地理 位置 3 事后處理分系統 負責實時記錄 GPS 接收機的定位數據 并事后對記錄數據進行處理 得到高精度位置 7 8 3 由 RTK 與數字測深儀組成的自動控制水下測量系統的一般功能 1 驅使系統同步采集各觀測數據 2 導航圖形和采集數據實時顯示 3 差分數據處理和坐標系轉換 4 數據編輯 5 圖形文件的生成和輸出 6 能夠校核 RTK 與測深儀之間的數據延遲 7 能夠進行接口參數設置 接口號 傳輸率 數據位 記錄速率及文件格式的選擇 7 8 4 水下地形測量的標準配置是 GPS 接收機2套 最好基準站 移動站可互換 電臺2 套 水上測量 導航軟件1套 測量控制手簿2套 后處理軟件1套 動 靜態解算和平差 坐標轉換 筆記本電腦1部 7 8 5 在水下地形測量時 如需進行驗潮位測量 可首先用 RTK 設置于驗潮船上 實時測 量水位后將改正值輸入系統軟件后 再進行水下地形測量工作 7 8 6 在 RTK 測量水下地形時 為了保持數據鏈的連續 應盡量保持測量船勻速 不出現 顯著的加速度 7 9 RTK 測量誤差源 7 9 1 RTK 測量主要有儀器誤差 軟件解算誤差 對中 對點 誤差 基站坐標傳算誤差 不同時刻衛星狀態和觀測條件引起的誤差等 在觀測過程中要注意采取一定的措施克服上 述誤差 7 10 RTK 測量過程中注意事項 7 10 1 參考站和流動站的項目 任務 設置參數應準確無誤 根據不同儀器類型而設置不 同 作業時要嚴格按各儀器配套操作手冊要求進行參數設置 7 10 2 流動站接收機只有經過初始化完成后才能進行 RTK 測量 初始化分靜態初始化或 OTF 兩種 控制測量 放樣測量宜采用靜態初始化 快速靜態或在已知點上 地形點測量 可采用 OTF 初始化 7 10 3 由于 RTK 測量有時會出現點位坐標漂移誤差 當按設計要求進行 RTK 作業時 在 距離和測回數都按設計掌握時 仍有部分測點超限時 只有通過減小測距和增加測回數加 以解決 8 RTK 儀器設備的技術要求 8 1 RTK 基本配置要求 8 1 1 參考站的基本配置要求 雙頻 RTK GPS 接收機 雙頻天線和天線電纜 基準站數據鏈電臺套件 基準站控制件 計算機控制 顯示和參數設置等 腳架 基座和連接器 儀器運輸箱等 8 1 2 流動站的基本配置要求 RTK GPS 接收機 雙頻 GPS 天線和天線電纜 流動站數據鏈電臺套件 手持計算機控制 或數據采集器 含各種實用軟件 手簿托架 2m 流動桿 流動站背包 儀器運輸箱等 8 1 3 數據鏈的基本配置 由調制解調器和電臺組成 數據鏈頻率可調 發射天線通常應分 為鞭狀天線與1 2波長天線兩種 8 2 RTK 接收機的一般標稱精度要求 8 2 1 RTK 的定位精度一般為平面10mm 2ppm 高程20mm 2ppm 8 2 2 RTK 作用距離 標稱 15km 一般應為 6km 10km 與當地環境有關 8 2 3 在中國沿海有信標地區 實時 DGPS 定位精度1m DGPS 作業距離50km 8 3 RTK 主要物理性能要求 8 3 1 標準12V 電源 推薦 功耗低 8 3 2 體積小 重量輕 8 3 3 工作溫度范圍大 并防水 防塵 防曬 防震 8 3 4 有功能強勁的處理軟件 8 3 5 冷啟動 60s 熱啟動 10s 再捕獲 1s 8 3 6 存儲器容量大 最好是內存與 PC 卡都有 8 3 7 定位數據更新速率 10次 s 8 3 8 數據輸出有 RTCM SC104 NMEA0183兩種格式 8 3 9 參考站或流動站可以互換 建議 8 3 10 24通道 C A 碼 P 碼及 L1 L2載波相位接收機 8 4 建議的擴展功能和特點 8 4 1 具備 L2 上 C A 碼 第三個民用 GPS 頻道 L5 WAAS INMARSAT 等功能 并內 置 WAAS 和 EGNOS 8 4 2 雙頻系統 GPS GLONASS 8 4 3 操作方便 性能穩定可靠 故障率低 可靠性高 優于 99 99 8 4 4 數據鏈能同時支持多種數據通信手段接收來自參考站的信息 如 UHF GSM 信號方 式或者任意通信方式的組合來建立數據鏈的系統 8 4 5 RTK 測量在30km 范圍內精度可達到2cm 以下 8 4 6 可連接其他外部測量設備 形成超站儀 8 5 RTK 隨機后處理軟件性能要求 8 5 1 應有的主要功能模塊 系統配置設置 作業計劃 項目管理 數據輸入 數據處理 橢球設置 地圖投影 地球模型 處理報告 網的設計與最小二乘平差 代碼和屬性清單 調閱與編輯 坐標轉換 GIS CAD 輸出 8 5 2 從軟件工程設計角度要求 1 軟件應為多用戶 多界面的操作系統 2 輸出數據格式可以用戶定義 可兼容其它品牌 GPS 的數據 可直接輸出其它應用軟件 的數據格式 不需編制格式轉換軟件 3 數據處理能以自動和人工兩種方式進行 4 能夠對數據成果進行科學的整體評價 8 5 3 有關操作手冊 說明書齊全 8 6 RTK 設備的檢驗與維護 8 6 1 可按 全球定位系統 GPS 測量型接收機檢定規程 CH8016 1995 有關規定執 行 9 數據后處理 9 1 數據下載 RTK 數據下載一般采用隨機接收機配備的商用軟件 下載信息應包括點名 三維坐標 點屬性 坐標殘差等信息 9 2 數據檢查 分析 根據精度要求和實際情況 軟件的功能和精度 分析下載的數據 查看是否各測回值滿足 要求 收斂誤差滿足要求等 點屬性是否齊全 9 3 重測與補測 當一個點或一組點成果經檢查達不到設計要求時 必須進行重測或補測 重 補測應按原 設計方法 精度要求進行 9 4 編輯與輸出 對多測回數據求平均值后 編輯成一定格式 或制作表格直接輸出 或制成 GIS 數據源產 品 提供 GIS 數據庫使用 10 RTK 技術推廣應用的一般原則 10 1 RTK 技術推廣應用的基本思想 10 1 1 RTK 技術的推廣應用應遵循 RTK 的工作原理 基本性能 精度指標 而定 當作為完整的系統化解決方案 Total Systematic Solution 的定時器 定位器 OLE 附件時 要考慮與其基本功能特點相適應 10 1 2 GPS