GPS动态(RTK)测量操作手册

GPS动态(RTK)测量操作手册测量的早期，对一个点的数据采集需要数小时，所以每天只能测定几个点，完成一个大的项目需费时几个星期。当天的工作结果要到几天后，数据处理完才知道。工作所需仪器可装满一部吉普车，每套价值约十五万美元。而且，至少需要两套设备。那时的用户很难想象会有这么一天，数据采集只需几秒钟，每天可以测定几百个点，大的项目可在几个小时内完成，而且结果能在实地实时获得。工作所需设备可由一人背负，两台套设备组成的系统只不过四万美元左右。这就是八十年代早期和今日GPS测量的差异。早期的GPS测量在本质上是静态的,用户在一个测站点要停留1到3个小时或更久。如果时间允许，它才会在数据采集结束后，转去下一个测站点。随后数据汇集在一起才能进行后处理。数据处理完成，方可得到测量结果。从那时起，GPS测量开始向动态方向发展。设备体积更小，便于携带。由于GPS流动站与基准站之间的数据采用无线电链接，在数据采集的同时，即可对其进行实时处理。数据处理的新技术使得在数秒钟之内测定精确位置解成为可能。这些技术进步允许用户在测区往来行走，迅速确定有关目标的位置，即刻见到自己的劳动成果。这就是实时动态测量（RTK）。一、全球定位系统（GPS）让我们简捷地回顾一下使这一切成为现实的全球定位系统（GPS）。GPS系统包括三大部分：卫星、地面监控站和接收机。监控站的主要目的是监测和维护卫星。对用户来说，无须对监控站有过多了解，只要知道它们的功能是保障卫星的正常运转就行了。卫星是GPS的第二个主要部分。根据定义，全球星座有24颗卫星，不过在本文写成时有27颗在运转中。每颗卫星距离地球表面约20,200公里，轨道运行周期为11小时58分。每颗卫星都装备有原子钟,无线电收发机及其它设备。收发机从监控站取得并传输有关卫星身份、位置和时间等的信息和指令。每颗卫星可用两个不同频率进行传输：L1即1575.42MHz和L2即1227.60MHz。与监控站不同，用户必须了解数据采集期间可用卫星的位置、几何分布状态和数量。这些重要因素将影响GPS测量的可靠性和精确度。GPS接收机的功能一如其名，即为接收和存储来自GPS卫星的信号。这是接收机的主要功能，对某些接收机来说，也是它们的唯一功能。除了接收和存储来自GPS卫星的信号外，有些接收机还可行使诸如计算点位坐标并以多种定位基准和直角坐标系统加以显示、通过串行端口输出原始数据和计算所得位置坐标、以及显示卫星可用性信息等附加功能。更高级的接收机可以从另一个正在同步采集数据的GPS接收机那里接收原始数据，并将此数据与其本身数据结合，实时地计算出自己的精确位置。这正是实时动态测量（RTK）接收机的工作原理。GPS动态(RTK)测量操作手册二、实时动态测量（RTK）GPS的RTK测量模式要求至少两台同时工作的GPS接收机(如图1.1所示)。事实上，这一要求适用于任何位置精确度优于10米的GPS应用。在两台套接收机的GPS实时动态测量系统中，其中一台接收机被指定为基准站，另外一台为流动站。基准站接收机通常置于一个已知点上，即经度、纬度和高度已知的点。实际操作中，基准站系统采集来自可用卫星的原始数据。该原始数据经包装后，由串行端口送往待命的无线电发射机。发射机对包装后的原始数据进行广播，任何接收机都可以接收。这就是RTK系统中基准站接收机的工作原理。RTK流动站是系统的实用部分。流动站通常可放置于背包中，携带方便。使用者通过掌上电脑（电子手簿）或数据采集器与接收机交换数据。实际操作中，流动站电台接收基准站发来的,包含基准站接收GPS原始数据的信息。电台将收到的基准站原始数据经由串口转往流动站接收机。与此同时，流动站GPS接收机会在其当前位置采集本机的原始数据。来自基准站GPS接收机与流动站GPS接收机的原始数据汇集在流动站接收机中处理，以计算出两个接收机之间精确到厘米级的基线向量。昀后，流动站接收机利用已知基准站位置和基线向量来计算流动站位置坐标。这就是RTK系统中流动站接收机的工作原理。根据以上所述基准站和流动站的运作，用户可携带流动站系统在测区往来行走，又快又准地进行定位测量和放样测设工作。由于即时计算点位坐标，用户对系统的正常工作可实时监察，心中有数。基准站传输原始数据时并不限制接受对象，所以适配某一基准站工作的流动站数量不受限制。三、RTK的应用GPS动态(RTK)测量操作手册系统可应用于两项主要测量任务，即测点定位和测设放样。前面已经简略讨论了GPSRTK的测点定位的应用。在基准站和流动站协同工作的情况下，用户携带流动站系统，在测区往来行走，对特征点进行采数测量。任何性质的点都可做定位测量，如道路的中线、池塘的周边、路灯杆位和建筑物边角等。测点可以是原有的境界标记，或是需要首次定位的新标记。这一功能使GPSRTK昀适合于测图应用。图1.1是GPSRTK的测量的设备配置。RTK系统可用于地形测量、面积测量和建筑测量，也可以用于测量料场及土石方工程量计算。测设放样任务只能在GPS的RTK操作模式下完成。某一物体的放样包括对定义该物体所在位置的一点或多点的定位。取得某一点的坐标后，用户需要在地面上找到与该坐标对应的确切位置。传统的做法是，全站仪测定持杆员的当前位置，并指挥其行进一定的距离后昀终到达正确的位置。而RTK流动站操作员行进中则可观察掌上电脑(电子手簿)屏幕来确定自己的当前位置。掌上电脑存有目标点的坐标。由于RTK系统已知其当前位置和要寻找的目标点位置，系统可给用户导向到正确位置。这一功能使得RTK成为非常有效的放样工具。任何物体都可由GPSRTK来测设放样，如道路、输电线路、油气管线、DTM及地下管道等等。在大多数这类测量中，RTK系统比传统全站仪系统的效率要高很多，而且只需单人操作。四、RTK的局限性GPSRTK也有其局限性，会影响到执行上述测量任务的能力。了解其局限性可确保RTK测量成功。昀主要的局限性其实不在于RTK本身，而是源于整个GPS系统。如前所述，GPS依靠的是接收从地面以上约两万公里的卫星发射来的无线电信号。相对而言，这些信号频率高、功率低，不易穿透可能阻挡卫星和GPS接收机之间视线的障碍物。事实上，存在于GPS接收机和卫星之间路径上的任何物体都会对系统的操作产生有害影响。有些物体如房屋，会完全屏蔽卫星信号。因此,GPS不能在室内使用。同样原因,GPS也不能在隧道内或水下使用。有些物体如树木会部分阻挡、反射或折射信号。GPS信号的接收在树林茂密的地区会很差。树林中有时会有足够的信号来计算概略位置，但信号清晰度难以达到厘米水平的精确定位。因此，RTK在林区作业有一定的局限性。这并不是说，GPSRTK只适用于四周对空开阔的地区。RTK测量在部分障碍的地区也可以是有效而精确的。其奥秘是能观测到足够的卫星来精确可靠地实现定位。在任何时间、任何地区，都可能会有7到10颗GPS卫星可用于RTK测量。RTK系统的工作并不需要这么多颗卫星。如果天空中有5颗适当分布的卫星，就可作精确可靠的定位。有部分障碍的地点只要可以观测到至少5颗卫星，就有可能做RTK测量。在树林或大楼四周作测量时，只要该地留有足够的开放空间，使RTK系统可观测到至少5颗卫星，RTK测量就有成功的条件。GPS动态(RTK)测量操作手册测量解决方案。ZX超级站包含进行后处理和实时GPS测量所必需的全部部件。ZX超级站是用AshtechZ-Xtreme双频GPS接收机来驱动的。由于利用L1和L2两个频率上的卫星信号，Z-Xtreme双频接收机使得GPS系统功能更广大。在执行后处理测量任务，如建立和加密控制网时，Z-Xtreme允许基准站和流动站接收机之间的距离可以更远，同时又能保持高精度。在RTK测量中，系统初始化时间可以更短，成果更可靠，生产率更高。第二章RTK系统组成部件RTK系统由一系列部件组成，初学者可能会觉得难以领会。其实，RTK系统的设置并不复杂。奥秘在于理解系统中每一个部件的作用以及它们彼此之间的关系。有了这样的理解，硬件部件的连接和软件部件的使用就逻辑而直观了。第一节硬件RTK系统的硬设备部件各有其特定功能。Z-XSuperStation(Z-X超级站)的许多部件可有不同选择，各有其优点。根据系统使用的要求和环境，可选择昀合适的配置。本章将讨论Z-XSuperStation的主要部件。如果某些部件有“可选项”,亦将逐一介绍。一、GPS接收机GPS接收机（图2.1）的功能是接收、处理和存储卫星信号。一个RTK系统至少需要两台GPS接收机，一台为基准站，一台流动站。Z-X超级站的核心是Z-Xtreme双频GPS接收机。Z-Xtreme内部装有电池、可拔插PC内存卡和可选的内置电台，可担任RTK静态测量或后处理动态与RTK测量中的基准站或流动站。一体化结构，显示与控制面板支持执行某些测量作GPS动态(RTK)测量操作手册业的功能（如后处理静、动态测量），而不必使用掌上电脑。在操作环境方面，Z-Xtreme接收机符合MIL-STD-810E有关防水和防尘的规范标准。GPS接收机必须配用天线才能接收卫星信号。GPS接收机天线是卫星信号的实际采集点。它也是据以计算流动站定位的点。因此，要确定一个观测点的位置，就必须把GPS接收机天线安放在观测点的上方。观测点的平面位置由天线的中心点位确定。观测点的垂直位置由天线的中心点位减去天线高来确定。系统中的每台GPS接收机都配有一个GPS接收天线。Z-X超级基准站系统有两种不同的GPS接收机天线可供选择：GeodeticIV天线和扼流圈天线。基准站的作用及所处位置（是否存在多路径现象）将决定采用哪种天线较为合适。1．GeodeticIV天线图2.2GeodeticIVGPS天线（有“不带抑径盘”与“*带抑径盘”两种供选）GeodeticIV天线（图2.2）是基准站和流动站系统的标准天线。它体积小、重量轻，满足大部分用户需要。流动站系统宜采用“不带抑径盘“的天线。扼流圈天线和带抑径盘的天线因为太大或/和太重，并不适合流动站使用。配合GeodeticIV天线使用的可选抑径盘附件，可有效地消减由于卫星信号被障碍物反射而产生的噪音。这种噪音的技术名称叫做多路径效应。抑径盘附件减少多路径效应的影响。抑径盘附件虽能有效地减低多路径效应的影响,但也显著增加了天线的尺寸和重量。因此，抑径盘附件只建议在基准站使用。如果基准站所GPS动态(RTK)测量操作手册在地的障碍物如金属建筑物可能会产生多路径效应，则可选用地平板。2．*扼流圈天线扼流圈天线（图2.3）是排除多路径效应的昀佳天线。如果基准站处于多路径效应严重的环境，则建议使用扼流圈天线。严重多路径效应环境的一个例子是装图2.3扼流圈天线有大型压缩机和空调机组的建筑物楼顶。这些金属结构会反射可能被天线接收的卫星信号。扼流圈天线的设计可在昀严酷的多路径效应环境中使用。二、电台RTK系统中基准站和流动站的GPS接收机通过电台进行通信联系。因此，基准站系统和流动站系统都包括电台部件。如前所述，基准站GPS接收机必须向流动站GPS接收机传输原始数据，流动站GPS接收机才能计算出基准站和流动站之间的基线向量。通过电台，基准站系统发送数据，流动站系统接收数据。基准站电台因为有发射功能，所以体积较大，耗电量也较大。流动站接收机只需接收信号，因此功耗较少，耗电量也小得多。在某些RTK系统中，流动站电台尺寸小到可以嵌入流动站GPS接收机之中。ZXSuperStation提供有两种迥然不同的电台类型，一种在UHF/VHF频率下工作，另一种在分布频谱频率下工作。选用何种电台系统主要取决于基准站和流动站系统之间的远近。1．UHF/VHF(超高频/甚高频)电台如果RTK测量时基准站和流动站系统的距离超过2公里，建议使用U