GPS实时动态定位的应用与研究

2014-12-25李家颖

城市建设理论研究 2014年37期

关键词：应用

李家颖

摘要：本文提出了GPS实时动态定位（RTK）以载波相位为根据的实时差分测量（RTDGPS）的原理和具有能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位成果和高精度的优点，分析了 GPS实时动态定位（RTK）在工程测量、公路测量、土地测绘、矿山测量、航道测量等方面的应用，列举了在南水北调工程中利用RTK 技术进行图根控制测量和进行直线和曲线的放样以及用RTK技术进行碎步点野外采集看。并提出了在车辆导航和监控系统和其他一些方面的新应用。车辆导航和监控系统是在GPS 动态实时定位的基础上, 通过GPS 数据处理, 电子地图显示移动车辆的航迹位置来达到指挥调度的目的。随着差分定位技术的不断发展和完善, GPS 动态实时定位技术必将以其高精度、高效率、多功能的绝对优势应用在各个领域之中。

关键词：GPS实时动态定位（RTK）；应用；南水北调工程；车辆导航和监控系统

中图分类号： P228 文献标识码： A

fore contracts concluding for repeated use, accepted by the uncertain third party

-GPS 实时动态定位应用综述

1．1 GPS RTK一般测量技术的应用

1.1.1 在控制测量中的应用

在流动站观测采用快速静态模式, 将GPS 流动站安置在待定点上进行观测。流动站GPS 接收机接受GPS 信号的同时还接收来自基准站电台的信号, 将载波相位观测值进行实时差分处理从而计算出流动站的坐标值, 这时将在GPS 手簿上实时显示点位坐标值及其精度, 当精度达到要求时即可保存观测数据停止观测, 时间一般只需要3～ 5 m in。

根据各生产单位的大量实践表明, 用RTK进行控制测量能够达到厘米级精度, 一般都应该在1～ 2 cm 以内，完全可以满足地形图测绘中的图根控制测量和一般工程的控制测量。与传统控制测量相比, GPS RTK 测量效率高、误差累积少(各流动站之间不存在误差累积) ，在精度要求不太高的控制测量中被广泛应用。

1.1.2 在碎部测量中的应用

用RTK 进行地形测图碎部测量可以不进行图根控制而直接根据分布在测区的一些基准点进行各碎部点的测量[1]。安置好基准站并输入必要已知数据(基准点坐标、参考点坐标等) 后即可进行碎部测量。

RTK 碎部测量与传统全站仪测量的人员配备不同, 传统全站仪测量一个作业组至少3 人,RTK 测量只需一人在碎部点上停留观测2～ 3 s, 另一人看守基准站即可。传统全站仪测1∶1 000 地形图时一天能测量约800 点(困难地区只有其一半) , 而用RTK一天能测1 200 点以上, 大大提高了测量效率。同时RTK 测量可以全天候进行, 并且可以多个流动站同时进行碎部测量, 效率可以成倍提高。此外, 传统全站仪测图需频繁搬站, 消耗大量时间。而RTK 测量则不受基准站和流动站之间的地物影响, 设一基准站后可在半径10 km 内采集任意碎部点(在能观测到4 颗以上GPS 卫星的前提下)。

1.2 在公路测量中的应用

常规公路测量有些缺陷，主要表现在：

(1) 规范对附合导线长、闭合导线长及结点导线间长度等有严格规定,一般对于高等级公路均要求达到一级导线要求。这种要求一般在实际作业中难以达到,往往出现超规范作业。

(2) 搜集到的用于路线测量控制的起算点间一般很难保证为同一测量系统,国测、军测、城市控制点往往混杂一起,这就存在系统间的兼容性问题。

(3) 国家大地点破坏严重,影响测量作业。

(4) 地面通视困难往往影响常规测量的实施[2]。

RTK有快速静态定位和动态定位两种测量模式, 两种定位模式相结合, 在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样和地理信息系统前端数据采集[3]。

RTK技术将彻底改变公路测量模式,RTK 能实时地得出所在位置的空间三维坐标，RTK技术在公路测量模式中可以直接进行大比例尺地形图测绘、实地实时放样、中桩测量、横断面测量、纵段面地形线测量、点位测量等工作。测量几秒钟,精度就可达1～3cm ,其精度和效率是常规测量无法比拟的。(RTK)定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景4]。

1.3 GPS - RTK技术在矿山测量中的应用

GPS - RTK技术应用于矿山测量工作中, 主要用于矿区控制点加密, 地形测量, 钻孔、剖面点、探槽、探井、坑口、取样钻孔、地质点、近井点、坑口位置点的坐标放样与求测,工程作业调度, 地质填图等。GPS -RTK可胜任各种测量内、外业工作，需通视RTK测量点位精度可达厘米级, 完全能够满足矿山测量的需要。但是由于矿区特殊的环境, 存在一些不利于RTK作业的因素, 如山谷和森林等。主要问题和对策：

（1）集森林区、不能被卫星很好地覆盖地区: 高山峡谷深处、密高楼林立区, RTK的使用受到限制, 应配合航空摄影测量和常规测量方法。

（2）高程异常值问题, RTK作业模式要求高程的转换必须精确, 但我国现有的高程异常图在有些地区, 尤其是山区, 存在较大误差, 在有些地区还是空白。应尽量在测区分布均匀的控制点上联测, 求得较精确的高程转换参数。

（3）电力供应问题需要多块大容量电池、电瓶才能保证连续作业, 在电力供应缺乏或偏远作业区作业时要做好充分准备, 必须带足备用电池、电瓶。

（4）GPS - RTK作业方式是依赖于有足够的卫星数、稳健的数据链等外界条件, 在矿山测量中显得很突出, 有时会出现无法正常作业的情况, 这就需要不断完善GPS - RTK技术, 寻求先进的作业方式[5]。

虽然GPS - RTK技术应用于矿山测量还存在许多不足，随但着CORS参考站的建立,GPRS和CDMA技术的应用, RTK技术将不断成熟, 必定会更好的服务于矿山测量

1.4 GPS实时动态(RTK)技术在土地测绘中的应用研究

实践表明实时动态定位技术在土地测绘中,主要适用于以下几个方面：

1.4.1 GPS实时动态定位在土地权属界线放样中的应用

在土地管理中,有时需要将图上确定的土地权属界线放样于实地,但由于实地地形复杂或通视困难等不利条件,利用常规方法很难标定实际界线, 则可以利用RTK定位技术的流动站放样功能,在电子手簿上即时显示流动站所在点与放样线的方位、距离,仅需要单人背负流动站作业即可[6]。

1.4.2 GPS RTK在地籍控制测量中得应用

实时动态定位技术应用于地籍控制测量,可以根据实际需要,灵活布设控制点,点位可疏可密。如图1 ,测区为相互独立的A、B 两测区,应用实时动态定位技术,就可以在△点上架设基准站,在需要布设控制点A、B 区域,布设控制点,而不必在A、B 测区中间地带布设传算点,这使交通不便的独立地区能方便地进行整体联测[7]。

图1 GPS-RTK应用地籍控制测量

采用实时动态定位技术进行地籍控制测量,效率很高。不仅大大优于传统测量方式,而且明显优于GPS 静态测量方式。这种测量方式还非常适合中小城市(镇) 的地籍控制测量,在面积为100 平方千米以下的中小城市[8]

1.4.3 GPS RTK在建设用地前期勘测/ 地籍碎部测量中应用

采用实时动态定位方式进行建设用地前期勘测或地籍碎部测量,与采用全站仪进行测量相比较具有非常明显的优势即采点速度快,在保持卫星连续跟踪的情况下,一般单点测量仅需要十几秒钟,与全站仪相当。但是在以基准站为中心方圆20 km内,既不需要变换基准站,也不需要图根控制点,更不需要定向,这就减少了全站仪频繁换站所花费的时间,且可以使多个流动站同时工作,而互不影响。一台流动站大约是一台全站仪工作效率的1. 5 倍。

1.5GPS RTK技术在航道测量中的应用

实时动态测量(RTK)技术在陆地测量和放样的应用中已经比较成熟,在海洋测量和海洋工程中的应用也已经兴起

2 .GPS实时动态定位在车辆自动定位导航系统的应用

2.1 车辆自动定位导航的原理

车辆导航系统是以车载导航系统就是在GPS 动态实时定位的基础上, 通过GPS 数据处理, 电子地图显示移动车辆的航迹位置来达到指挥调度的目的[9]。车辆中内置GPS 接收机根据收到的三颗或三颗以上卫星信息计算出车辆的当前位置数据、移动速度和运动方向。通信控制器经调制解调器从GPS 接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息,结合车辆信息形成数据报,通过无线信道发往监控中心。监控中心从中提取出定位信息,根据各车辆的车号和组号等,在监控中心的电子地图上显示出来。同样，监控中心也可以以相同的方式将有关信息（如车流量）经调制解调器传递给车载单元。由此，将该系统分为车载单元和监控中心两部分。见图2

图2 车辆自动定位导航的原理图

2.2 GPS-RTK车辆自动定位导航的研究

车辆导航系统的主要研究的内容包括四部分, 即数据通迅;动态GPS 定位数据处理; 坐标系统转换和电子地图制作[10]。具体组成如图3所示

数据通讯

GPS接收天线通讯发射天线

图3 车辆自动导航定位组成图

2.2.1 数字通信

数字通讯系统在这套系统中起到重要作用, 它是将GPS 接收机定位信息经过调制解调, 然后利用我们自己研制的军用电台的专用信道将载有GPS 定位信息、数据信息发回参考站 (即指挥车) , 以使参考站经过数据处理, 将前方观察车所在的位置实时地显示在电子地图上, 其系统原理如图4所示

图4车辆自动导航系统数据通讯图

对于通信传输技术要求是: 频率覆盖范围为150～ 450MHZ, 波道具有可选性, 传输速率为600～ 1200bps, 数据链误差为0. 2% , 数据链作用距离≤40 公里。

2.1.2 动态定位数据处理

(1)对GPS 卫星接收机的技术要求

由于我们是工作在实时动态工作模式下, 所以它给出的是单点定位结果, 为了消除系统误差影响, 提高定位精度, 需要进行坐标差分改正, 由于观察动态噪声和偶然误差的联合影响, 需要对定位结果进行滤波修正，则可用采用八通道SOKKIA 单频大地型接收机，工作方式为全自动四星三维定位, 三星二维定位。或者大地型接收机GSS1, 在本系统中即可以差分, 也可以单点定位。

（2）动态定位结果的差分改正

由于运动接收机与参考站接收机(指挥车) 采用同步观测。它们受到相同或几乎一致的轨道偏差, 大气折射偏差等影响, 为了尽量消弱这些偏差的影响, 需要对运动接收机定位结果进行差分修正。

设运动接收机在某时刻定位出的坐标向量为Rm ( t) , 参考站接收机定出的坐标向量为Rn ( t) , 它们均参考于WGS- 84 坐标, 设参考站接收机在WGS- 84 系中的已知坐标为R,则可以得到差分改正向量

(1)

运动接收机位置经差分改正后的位置向量为:

(2)

其中Rm ( t) 是通过无线数字通讯传送到计算机里, Rn ( t) 是参考站观测直接通过有线通讯得到, R 是事先输入的已知值。

（3）差分结果的滤波的修正

为了更好地消除动态噪声和偶然误差等定位结果的影响, 需要对差分结果进行滤波修正, 下面给出Ka lman 滤波(卡尔曼滤波)的动态方程和观测方程[20]。

(3)

(4)

式中表示k 时刻的状态向量, 若考虑位置, 速度为6×1 维, 若再考虑加速为9×1维, 为k 时刻n×n 维状态转移距阵,为k 时刻的动态噪声一般为零均值高斯噪声, 有方差阵, 为的设计距阵: 为k 时刻的观测量, 若定位给出的是位值, 则为坐标观测量, 若给出的是伪矩, 则为伪矩观测值;为设计矩阵。为观测噪声, 若设定为零均值高斯噪声, 有方差阵为且与无关。

卡尔曼滤波的递推公式如下:

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

滤波初值为和。

若在WGS- 84 坐标系内, 取接收机天线相位中心在k 时测的运动状态为:

(10)

则:

(11)

(12)