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GPS参考站系统在控制测量中的应用

时间：2012-10-24浏览：次责任编辑：四川拓图测绘仪器

GPS参考站系统的应用

GPS参考站系统目前主要在以下几个方面得到了广泛的应用：

1、建立并维护一个高质量地心坐标基准。参考站建立起来之后，利用参考站的长期跟踪数据和因特网上随时可以收集的周边地区固定参考站的观测数据，可以借助于一些高层次科研软件(如国内比较熟悉的伯尔尼软件和Gamit软件)周期性地更新参考站的地心坐标，相对精度可以达到10-8至10-9左右，绝对精度可望优于分米级。

2、取代常规测量控制网。参考站网的基本功能相当于现有的国家或城市基本控制网。它为当地各行各业的可持续发展与基本测绘提供了一组永久性的，而且能够自我完善，不断更新的动态基准点，最终将与周边省市自治区的同类网络连成一片，全面取代现有的国家级天文大地控制网的功能。

3、实现城乡GIS系统的实时更新。一个不断实时更新的城市和乡镇的GIS系统，是省、市、区、县各级领导、规划部门科学决策的依据。参考站网系统的建成，任何野外实时采集的信息都可以连同它们的空间属性数据一起，通过系统的逆向数据通道反馈到市县不同类型的GIS系统数据库中，实时进行数据库的更新。

4、满足地球物理与环境监测的需求。参考站网的一个重要应用领域就是满足地球物理与环境监测方面的需要。其中包括与周边地区连续跟踪参考站进行数据交换，分析研究所在板块相对于其它周边板块的运动规律，也支持地震监测等部门从事参考站网服务区内流动监测点位进行毫米级精度的监测研究作业。可持续发展是人类面临的一个重大课题。对环境与地质灾害的监测和预防是其中一个有待关注和解决的重大问题。在参考站网支持下，采用GPS定位技术可以大大提高作业效率，缩短观测周期，降低施工成本，而且以均匀的精度指标分析对比沉降的状况与趋势。类似地参考站网积累的数据还可以用于对所在地区存在崩塌危险的边坡、岩体，乃至大坝、河堤、流沙和活动断层进行长时间的连续跟踪观测和分析研究。

5、服务于公共安全。改革开放以来，随着经济的蓬勃发展，经济犯罪活动也呈上升趋势。机动车辆的盗窃，针对出租车、银行运钞车的抢劫活动也时有发生，其它有关公共车辆安全的防暴、防盗、放火、急救、调度，特种车辆运行路线的全程监控，提高车辆的运行效率，都可以在参考站网系统的支持下一一得到有效的满足，必将对当地公共安全带来一个质的提高。

6、 GPS气象学。GPS气象学是最近一二十年内形成的一门新兴学科，利用GPS无线电信号穿越大气圈时受到电离层与对流层的弥散效应和出现的折射现象，进行数值分析，特别是可以精确地提取大气层中的水气含量和分布，从而对可能出现的降水时间和强度作出前所未有的精确预报，服务于当地的农业、交通、旅游、体育和社会公共活动的精密部署，减少灾害性天气给各行各业带来的生命财产损失。

7、地面施工机械的自动引导。参考站系统建成后，野外地面机械施工的用户(如挖掘机、筑路机、摊铺机)可以通过引进或开发，利用高速实时动态响应的GPS接收机设备，实现生产工艺的彻底改造，淘汰传统的、落后的、劳动力密集型的生产模式，进入现代化、自动化、数字化新阶段，大大节省时间、人力、物力与财力，并显著改善生产环境的安全水平。

8、提供实时RTK测量作业服务。参考站系统建设的一个最基本、最核心的任务就是满足参考站覆盖范围内，包括规划、设计、施工以及其它部门，拥有单台GPS接收机的测绘用户，提供全天24小时、全年365天的实时厘米级RTK作业支持，确保城市各种地图的快速更新，各项工程的实时施工放样。每个地形点、碎部点、工程点的点位测定时间缩短到不到一分钟。

9、提供各种后处理技术服务。参考站网系统还将为需要提供各种后处理技术服务的用户提供事后数据检索、摘录、电邮；对于用户采集的外业数据代为进行质量分析、基线解算、整体平差、高程与点位坐标成果的系统换算，原始数据的永久性委托存档管理；接受对第三方数据资料(含国内外其它参考站和用户系统的观测数据以及相应时间区间的精密星历等等)的委托收集、加工处理和成果报告的编制。

10、满足节水、精密农业的需要。我国大部分地区严重缺水，另一方面水资源的浪费仍然比较严重。参考站网系统建成后，农业部门有可能将开发相应的节水、精密农业系统列入未来的发展规划，并彻底废除漫灌等落后、费水的耕作技术。借助于地下管道灌溉系统，根据GPS引导的机械设备采集的各点土壤墒情和化学成分，控制供水和施肥量。同时也在高精度GPS(厘米级)设备引导下进行机耕，防止机械对管道系统的破坏。此外，还可以在计算机系统管理下实现精密轮作与套种，真正实现农业生产的现代化。

GPS参考站系统的发展趋势

综合性参考站系统是一种正处在蓬勃发展的阶段，其功能将日益完善，应用领域还会不断扩大。随着科学技术的不断发展和各地的开发建设，在未来五至十年时间内，各区县级城镇都有可能相继建立起当地的参考站系统，现有参考站系统通过软件升级，把所有这些参考站纳入一个更高层次的参考站系统。当虚拟参考站网或基于通信网络的参考站网模型相当成熟时，并拥有相应的国际标准和大批不同规模网络的应用案例，因而它们不仅仅是具有理论优势，而且具有实际的可操作性。在这样一个前提下，用户可以不必考虑离开最近的参考站究竟有多远，系统总能帮你找到一个最佳的解算方案，给出最精确的结果。

今后的城市、乡镇以及交通沿线不仅设有参考站系统的站点或信息转发系统，供用户通过无线或专线进行数据信息交换之外，还可能在机场、码头、车站、标志性建筑物、主要道路交叉口、城市出入通道口、重要的人行天桥中间、公园、广场、学校，及一些政府机关、厂矿、公司设立一系列标准点位标志，供不具备接收 DGPS信号的廉价低档手持式(价格有可能相当于目前人民币几十元至百把元)，或表式接收机“对点”，校正点位信息。经过这种简单的公共设施校正后，点位坐标也可以达到米级精度。那时，人们可以真正称自己生活在一个信息化时代里，实现了“数字XX”的宏伟理想。

GPS参考站系统在控制测量中的应用

GPS参考站系统在控制测量中应用，除了常规的后处理方式来进行控制测量外，其更主要应用的就是利用GPS参考站系统RTK技术进行控制测量。RTK测量技术主要因为其测量模式和测量速度、精度比以往的测量方式有了很大的变革。
作业效率高。大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几十秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了劳动效率。
定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。只要满足RTK的基本工作条件，在参考站系统覆盖范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。
降低了作业条件要求。网络RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”，因此，和传统测量相比，网络RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足网络RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。
RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。RTK可胜任各种测绘内、外业。流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。
操作简便，容易使用，数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置，就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

网络RTK技术目前可用于四等以下平面控制测量：

GPS参考站系统在利用网络RTK技术进行控制测量时，和常规RTK相比不需关注参考站的设置和数据通讯，只要关注流动站的设置和外业作业环境等就能满足网络RTK在四等以下平面控制测量中的应用。

1、坐标系统和时间系统

（1）坐标系统

RTK测量采用WGS84系统，当RTK测量要求提供其它坐标系（北京坐标或1980西安坐标系等）时，应进行坐标转换。
坐标转换求转换参数时应采用3点以上的两套坐标系成果，采用Bursa-Wolf、Molodenky等经典、成熟的模型，使用 PowerADJ3.0、SKIpro2.3、TGO1.5以上版本的通用GPS软件进行求解，也可自行编制求参数软件，经测试与鉴定后使用。转换参数时应采用三参、四参、五参、七参不同模型形式，视具体工作情况而定，但每次必须使用一组的全套参数进行转换。坐标转换参数不准确可影响到2～3cm左右 RTK测量误差。
当要求提供1985国家高程基准或其它高程系高程时，转换参数必须考虑高程要素。如果转换参数无法满足高程精度要求，可对RTK数据进行后处理，按高程拟合、大地水准面精化等方法求得这些高程系统的高程。

（2）时间系统

RTK测量宜采用协调世界时UTC。当采用北京标准时间时，应考虑时区差加以换算。这在RTK用作定时器时尤为重要。

2 、RTK测量技术设计

从RTK硬件设备特性和观测精度、可靠性及可利用性综合考虑，现阶段RTK的测量技术要求如下：四等以下平面控制最弱点位误差≤5cm；最弱边相对中误差≤1/4.5万。

3、RTK测量准备

RTK测量时应视测量目的、要求精度、卫星状况、接收机类型、测区已有控制点情况及作业效率等因素综合考虑，按照优化设计原则进行作业。为了检验当前站RTK作业的可靠性，必须检查一点以上的已知控制点，或已知任意地物点、地形点，当检核在设计限差要求范围内时，方可开始RTK测量。

4、流动站的设置要求

（1）流动站作业准备

在RTK作业前，应首先检查仪器内存或PC卡容量能否满足工作需要。
由于RTK作业耗电量大，工作前，应备足电源。

（2）流动站作业要求

由于流动站一般采用缺省2m流动杆作业，当高度不同时，应修正此值。
在数据通讯信号受影响的点位，为提高效率，可将仪器移到开阔处或升高天线，待数据链锁定后，再小心无倾斜地移回待定点或放低天线，一般可以初始化成功。
在穿越树林、灌木林时，应注意天线和电缆勿挂破、拉断，保证仪器安全。

（3）流动站内置软件的一般功能要求

三差模型求定近似坐标。
双频动态解求整周模糊度。
根据相对定位原理，实时解算WGS-84坐标。
根据给定的坐标转换参数，给出任务（项目）要求的坐标系内坐标。

5、RTK作业

（1）RTK作业基本条件要求

RTK作业的基本条件要求如下：
观测的基本条件要求

RTK作业应尽量在天气良好的状况下作业，要尽量避免雷雨天气。夜间作业精度一般优于白天。

（2）卫星预报

RTK作业前要进行严格的卫星预报，选取PDOP<6，卫星数>6的时间窗口。编制预报表时应包括可见卫星号、卫星高度角和方位角、最佳观测卫星组、最佳观测时间、点位图形几何图形强度因子等内容。
卫星预报表的有效期以20天为宜，当超过20天时，应重新采集一组新的概略星历进行预报。
卫星预报时应采用测区中心的经纬度。当测区较大时，应分区进行卫星预报。

（3）RTK测量初始化

RTK测量必须在完成初始化后才能进行。初始化可以采用静态、OTF两种。初始化时间长短与距参考站的距离有关，两者距离越近，初始化越快。
推荐静态初化化，只有在运动状态下才进行OTF初始化。OTF方式一般在测量船、汽车等运动载体上使用。

（4）RTK作业时设备启动状况基本要求

开机后经检验有关指示灯与仪表显示正常后，方可进行自测试并输入测站号（测点号）、仪器高等信息。
接收机启动后，观测员可使用专用功能键盘和选择菜单，查看测站信息接收卫星数、卫星号、卫星健康状况、各卫星信噪比、相位测量残差实时定位的结果及收敛值、存储介质记录和电源情况，如发现异常情况或未预料情况，并及时作出相应处理。

（5）RTK观测期间的作业要求

不得在天线附近50米内使用电台，10米内使用对讲机。
天气太冷时，接收机应适当保暖；天气太热时，接收机应避免阳光直接照晒，确保接收机正常工作。
RTK工作时，参考站可记录静态观测数据，当RTK无法作业时，流动站转化快速静态或后处理动态作业模式观测，以利后处理。
在流动站作业时，接收机天线姿态要尽量保持垂直（流动杆放稳、放直）。一定的斜倾度，将会产生很大的点位偏移误差。如当天线高2m，倾斜10°时，定位精度可影响3.47cm。⊿S=20*sin10=3.47cm
RTK观测时要保持坐标收敛值小于5cm。

6、RTK测量误差源

RTK测量主要有仪器误差、软件解算误差、对中（对点）误差、基站坐标传算误差、不同时刻卫星状态和观测条件引起的误差等。在观测过程中要注意采取一定的措施克服上述误差。

7、成果检验

（1）由于网络RTK技术目前正处于推广应用阶段，外业工作应加强对网络RTK成果的检验。对网络RTK成果的外业检查可以采用下列方法进行：