摘要
RTK技术主要是提供一种快速实时动态差分测量定位技术系统,它也能够提供以一种较高的定位精确度来进行三维快速实时定位。本文内容首先系统简单系统地阐述研究了GPS-RTK测量技术,然后是对目前GPS-RTK技术系统的总体工作原理情况进行系统深入研究分析,简单概括总结介绍了当前RTK精度测量系统技术体系的各种优缺点,分析比较了各种因素影响了RTK高精度测量的精度提高的相关原因,最后重点对现阶段GPS-RTK技术及其在我国地勘工程放样测量工程应用中的相关应用前景进行实证研究,根据平差学理论框架及国内相关检测规范可对提高GPS-RTK系统精度进行了经过一定范围的横向比较分析和对比分析,叙述总结了现代GPS-RTK技术及其在实际地勘及放样和测量数据处理中发挥的技术优点作用及今后在处理实际现场地勘或放样任务时中所需应注意掌握的重要事项,并进而对新一代RTK数据处理技术应用进行提出了积极展望。
关键词：GPS-RTK技术原理；地勘放样；实时动态定位
ABSTRACT
RTK technology is mainly to provide a fast real-time dynamic difference measurement and positioning technology system, which can also provide a high positioning accuracy for 3 D fast real-time positioning.The GPS-RTK measurement technology is first systematically studied, Then, the overall working principle of the current GPS-RTK technology system is studied and analyzed systematically, This paper briefly summarizes the advantages and disadvantages of the current RTK precision measurement system technology system, The analysis compares the related reasons why various factors affecting the improved accuracy of RTK measurements, Finally, the paper focuses on the empirical research of GPS-RTK technology and its related application prospect in geological survey engineering in China, According to the theoretical framework of translation science and the relevant domestic testing specifications, the accuracy of GPS-RTK system can be improved, This paper summarizes the modern GPS-RTK technology and its technical advantages in the actual geological exploration and lofting and measurement data processing, and the important matters required in handling the actual field geological prospecting or lofting tasks in the future, The application of the new generation of RTK data processing technology is further proposed.
Key words: GPS-RTK technology principle; geological prospecting and setting; real-time dynamic positioning
第1章绪论
1.1 研究背景
近些年多来,随着目前我国整体国民经济和发展综合水平仍不断在保持的高速水平增长,各项能源水利、核电、铁路基建施工等国民经济重大基础性工程及建设新项目研究的研究蓬勃全面开展,虽然它给当前工程基础测绘应用技术水平带来的了一种非常相当大程度的客观挑战,但也同时在大量新的国家工程与建设项目实践之中也无疑为发展工程基础测绘研究技术也提供出了另外一个相对很好的研究发展机遇。
随着当前国内从事现代海洋测绘专业领域技术力量发展的进一步和飞速进步和深入发展,测绘系统产品技术及其应用技术必将进一步具有沿着海内外业测量和操作网集网一体化、信息存储与应用管理的平台数字化、过程控制系统智能化、测量成果及相关作业及控制管理结果信息的平台数字化及其应用化等多个方面具备一系列的独特新颖的先进性能优点,其在持续高速发展历程中涌现的技术新产品特点则也更多的可再被进一步简单而形象直观地归纳概括的归纳概括为精确、简便、快速、遥测、可靠、动态、连续、实时等[1]。
GPS-RTK技术也应该就是在像目前这样急速发展中的移动技术的大爆炸的背景下才会应运而生来发展的,RTK技术已经使用到了多个的移动基准站之间从而能够共同利用来实现共同的构建成了这样的一个移动基准网,在GPS定位原理的技术的帮助下也可以利用其定位原理技术来有效消除定位和测量数据时误差因素对各移动基站位置的最直接影响,以有效达到扩大各个移动基站之间移动和可移动的基站之间的最小移动的距离,提高移动基站移动定位数据处理与移动测量等工作过程的移动测量精度。RTK定位跟踪技术是由于其有着一个更为清晰广阔和准确可靠的高精度坐标信息覆盖的空间范围,其进行精确的定位操作时精度可靠性与定位跟踪时间可靠性要远要较于传统或常规的坐标仪器系统来说要更显著或高的体现出了很多,能够实现快速自动同步获取与自动显示出精确度可高达厘米级或以上范围的高精度坐标测量信号与高精度坐标数据。RTK技术对于在高精度地勘分析及放样测量工作流程中得到的广泛的应用前景中有着这样一个极其十分的重要的技术地位。
1.2 研究的意义
将RTK测量技术和传统的全站仪测量技术结合起来,然后使用数字化的技术进行测图,在减少操作过程的同时,大大减少了传统测量作业所需的劳动力,同时大大缩短了传统测量作业中数据采集所需的时间,提高了采集到的坐标数据的精度,使测量工作的效率得到了大大的提升,RTK技术是一种行之有效的技术。
1.3 RTK技术的研究现状
随着当今我国和国民经济科技发展及水平正不断继续保持较高速经济增长,科技事业的健康快速持续发展,RTK技术正在成为大多数工程测绘作业任务方式中日益担当起着更加重要的一种角色,被我国大多数行业领域广泛所认识采纳。目前在国内单位在现场进行大型地质综合勘察布点与测量和放样过程时。RTK无线技术至今已证明在进行高速大容量数据资源信息的无线高速数据传输以及处理应用，各方面都取得了许多革命性技术进展,从在过去的原始的单一信道的无线电链路数据传输已逐步演变为能在当前通信时代中使用无线数据的实时数据传输,大大的地提高了无线高速数据源的信息传输与使用时的整体效率水平和无线传输范围。如今的各种RTK设备界面很多，但它们均还具有着其极至高级别的设计及精度,较其以前那种传统的专门的为开发RTK设备系统就已是变得简捷及方便,使得各种RTK的技术都已经是发展而得来的而且也变得越来越的接近及成熟,其技术与应用的应用范围也将变得的越来越广大。
1.4 本文主要研究的内容
在现场进行测量实际测量工程,RTK工程勘察测量新技术应用也同样得到了迅速有效的推广发展。RTK勘察测量新技术正是由于其应用能够快速同步和提供了较高精度的目标定位和精度检测，实现其相对较高的现场测量的作业的效率,使其可以在今后越来越多国家的大型建设与工程现场测量作业中迅速得到应用。本人曾依据十几年自己的使用RTK设备技术进行野外地质勘察点放样测量操作的实践经验,觉得采用RTK设备测量的技术是完全的可以充分胜任我国如今所有的野外地质工程勘察点放样和测量等作业,而且相信使用之后其现场工作设备的综合工作和效率水平将能大大得提高。
第2章 RTK系统组成及基本原理
2.1 RTK测量概述
RTK测量系统的开发技术从人类从最初简单的静态测量发展到有了到后来的快速精确的静态实时测量技术发展,并也已经逐渐在中国大量的测绘的实际技术工作领域中得到广泛地得到了实际应用。在后期使用RTK技术来现场进行大型野外地质资料的勘察测绘或地质测量信息采集的作业任务时,能够轻松做到实时对现场的任意点数据进行三维跟踪或测量，能记录下实时三维的坐标数据,完成质量的提升任务，而且有效提高科研生产使用效率，从而减少在勘探后期都要对数据进行实时采集处理时效性,在地质气候环境没有特别大恶劣情况时使用的大型野外或深山峡谷勘探中,能有效的表现出其系统的响应快速、实时,易人工操作维护等这一系列的优点。
2.2 RTK系统的组成
一个较为完整可靠的汽车GPS-RTK车载系统主要组成部分是它由汽车基准站的接收机、数据链路及传输的控制器系统和车载移动基准站的接收机等三大部分系统组成。基准站控制系统大致可包括组件有车载接收机、天线、无线电与通讯接收发射系统、电源装置(汽车用12V蓄电池)系统和汽车基准站的控制器系统等构成;流动站电路大致可以包括的有接收机、天线、无线电通讯及接收天线系统、供流动站GPS接收机系统和站无线电通讯与接收发射机系统等使用站的电源设备和供流动站的控制器系统等几个部分组成等。
一个完整的RTK系统工作原理示意图及其模型如下图例表1图中所示:
2.3 RTK系统的基本原理
RTK(Real Time Kinematic)实时动态差分测量技术是指一种比较新型的和常用到的基于载波载波相位测量系统与无线数据实时传输新技术相结合，同时产生的一种以载波相位测量原理为理论依据实现的高精度实时动态差分GPS定位测量的技术。这又是另外一种比较新的动态测量和作业模式方法,在此之前,不确论测量是基于静态测量还是基于动态实时测量,均都是基于在经过计算处理之后可得到的高达厘米级以上的测量精度,它的出现将为野外地勘放样定位和野外其他的控制及测量等工作方法带来一个了新发展的重要突破新方向,大大的提升到了野外测量工作中的测量效率,是又一种实用高效先进的野外定位新技术。
2.4 RTK技术的优点和缺点
RTK技术本身具有其它普通的测量仪表技术产品所没有无法与其比拟的巨大优势,但因为其设计在最初设计开发之所初也由于其当时的技术条件等的各种限制,在本身有着上述大量技术优点的同时,必然地存在着部分瑕疵。
2.4.1 RTK技术的优点
当人们通过使用RTK设备已可以同时在测量半径区域范围内连续进行两次测量半径作业之时,只须按需要再重新进行第1次的设站作业就已完全可以轻松的完成了一个大约仅有4~5km的测量半径范围之内的测量半径区域。而且在使用RTK测量设备进行测量作业时完成一个测量区块的测量作业的过程中，所需要的控制点总数比使用传统的测量设备进行测量作业时所要控制点的数量点要少出许多,从而就可大大减少了测量的设备的使用的频次。当我们需要我们能够在现场使用这些RTK的测量技术设备去真正实施进点的放样信号的现场测量的功能时,仅仅只是当需要让我们可以让所有这些的RTK设备技术可以做到在保证任何一个其测量设备在能够正常地接受测量信号的任何一个外围环境状态条件下得以正常的运行,在确保任何一个其测量设备能有效在承受测量的最小的操作点的距离的区间范围内能够实现进点信号的现场放样信号的测量距离目标(大约5公里)时,使用了上述的RTK技术的设备能够通过测量得到出来的任何一个点位坐标精度范围基本上都相对已经精度较高,而且已经基本上已经没有了任何积累误差和误差。
RTK技术可以完成很多数站点的点放样工作和点位测量的作业。所有的点位测量移动式基准站仪器内携带有方便的移动位置测量的点位测量工作手簿,里面一般均需装有着大量的点位测量的操作程序,具有着各种各样的特殊的测量工作功能。使用高精度RTK设备能够直接地进行点位及放样数据测量,其对设备自动化程度和各项功能的集结成化与实现的程度要求的相对极高,大大程度地的减少了很多人为地设计或错误,有效程度地的确保设备完成了测量点位数据及坐标数据所都所需满足的并且具有显着地较高精度测量的各项技术工作要求。
2.4.2 RTK技术的缺点
（1）受卫星状况限制
在开始设计GPS系统总体方案设计之路初,由于受当时卫星设计和技术应用的巨大局限性,其方案整体及设计方案的本身特点就难免具有上述许多固有缺点。但截止到目前为止,在茫茫地球卫星上仍然可能有很大一部分国家都会出现在具体地区的卫星某长一段时间范围内仍不能完全被卫星信号很好地的覆盖,非常的容易地产生了错误值。
（2）受地面对深空通视的环境变化和电离层辐射影响
在一些丘陵、森林、湖泊周围和在城市人口较为密集地区的空旷地方上操作RTK系统进行工程现场测量或作业数据处理时,GPS卫星信号稳定性较弱,很容易突然发生链接卫星信号初始化失败的特殊状况,出现数据重新读取初始化十分困难,最极端严重情况的某些时候系统甚至还可能会因此出现问题无法再次完成系统初始化,从而可能影响其它RTK设备系统进行的测量或操作,影响测量作业的进度,延长后续工程时间。
（3）受数据链电台传输距离影响
但若我们在一些野外现场使用这些大型的RTK设备或者在山区进行一些远距离的测量作业等测量作业的过程时,降低了对其超远距离的测量操作要求精度,缩短了对其远距离测量的操作要求的半径。此外,但正是由于直接使用的RTK设备在用来进行实际坐标测量操作的测量操作时,其所测量的操作参数的半径也通常远远小于它实际测量名义值上所可测量使用的操作数据的半径,当用户直接的使用了其设备来直接进行其实际坐标测量操作的测量作业时,在其实际坐标操作数据的半径误差远大于在某一定的值范围时,其实际上可测量操作参数的实际坐标数据半径值的误差值也必然就会存在明显地超限,导致会使到其测量的坐标精度将大为的下降。
（4）受高程异常问题影响
在人们实际或使用某些RTK设备观测或进行各种其他地形测量过程或其他作业等实践应用中如果在遇到的某些特别需要真实准确资料进行异常高程转换处理后的其他异常的情况时,规定对这些特殊需要异常高程进行转换高程处理时的其它异常也必须要求真实或准确。然而,在到现阶段在我国和北方以外的祖国南方及某些国家高山地区,特别主要是主要集中表现在祖国西部高寒山区,其异常高程转换的高程模型资料目前仍还几乎为国内一种空白。这一切也就将势必的使得今后我们想要把一个大地高程信号直接变换输入到到某一个正常的地高测量工程系统时所需要及所必须需要所做的全部所有测量操作也会因而变得会十分的非常的复杂与麻烦,精度要求将也将因此的变得将会更加极其的复杂及不太稳定及均匀,从而也极大的影响着用户们在今后直接的使用RTK方法在进行地面高测量及工程测量作业及计算时的要求以及所必须要求的测制取得品的高程精度。
（5）电力问题
由于人们在直接使用RTK仪表进行各种测量和作业活动时,测量用仪器一般需要同时消耗较大量的电能,需要一个有了较大电能容量的专用电能存储计量设备才能充分保证以其容量进行各项正常工作的电能测量或操作,在进行缺乏足够电力资源供应城市和一些偏远地区的农业山区电网的供电操作时,RTK电能测量及作业应用的工作范围可能受到有较大影响。
（6）测量作业中的几何精度要求和测量作业运行时产生的稳定性问题
由于使用RTK设备的作业测量极容可能更易承受因为其受到的卫星、天气条件变化等因素和数据链路条件及数据传输的链路条件变化等等带来的速度急剧变化等影响而所可能所产生出的较大一定程度上的测量误差和影响,因此当用户在实际选择上使用了RTK设备来直接进行作业测量操作及进行作业的数据处理作业时,在当我们直接使用其系统去进行实物测量分析和现场作业的数据处理计算时,所真正能够精确测算并得出结果的坐标数据精度偏差值和它们之间在与我们去进行现场实际的测量数据分析及实际作业测量数据对比分析计算时所得出来的测量结果稳定性差别有可能在短期内都已变得极其十分之地巨大。
2.5 影响RTK测量精度的因素
当使用RTK测量技术来实施测量与实践测量操作的过程中,影响着其实践测量及操作结果精度可靠性的两个主要技术原因可能有下面这样几小方面原因:
2.5.1 基准站坐标精度
从这些RTK数据设备所提供能够被显示到的各种工作原理理论参数中我们应该都已经可以从中得到和知道,假如任意一个基准站中提供给的各种坐标数据上都并不是都的很好的和精确,那么我们在实际用在这些RTK数据设备中能测量的到的各个坐标数据上可能就会都或多或少会有些微小误差,所以,基准站坐标数据设备也就是必须的也一定要都能保证有个很高的精度。
2.5.2 坐标转换参数的精度
在进行坐标转换或参数转换计算测量时最少也要考虑有至多3个已经确定知道坐标数据位置的公共坐标点,RTK测量数据的坐标精度往往和测量选择的区域范围内这些公共坐标系点坐标的具体位置、数量关系和测量坐标精度高低密切程度相关。
2.5.3 RTK设备周围的环境
基准站天线必须要尽可能的选择和安装架设在距离天线合适的距离之外的或相对较为空旷安全的固定位置,从而采取措施以及时躲避基准站设备周围产生的各种无线电噪声及其干扰,防止或者被阻止其无线电噪声干扰影响了其它的RTK设备装置正常的或安全地正常地运行或者工作。
2.5.4 操作人员的人为因素
测量员个人良好的职业技术工作素质分析判断能力和对其实际操作者以及对所测量的RTK设备的正确和使用所要求条件的正确掌握与熟练使用掌握的程度,假如对其操作在进行正确测量操作时,RTK设备仪表中所显示出来的任何点的坐标数据精度都会不是一个固定解就会立即被对其它的操作的设备人员所进行测量错误的记录,那么根据实际正确测量操作结果所得到的来判断的结果是该测量点上的任何点的坐标数据精度很可能就会在瞬间之内变得很非常之低了;加入RTK设备时使用的电池电力很可能就不足,操作及维修等人员如果又未按规定事先及时进行蓄电池的更换,那这势必的也是必然会导致严重地降低了仪器上所显示能够被测量所得反映出来的坐标数据的的测量结果精度准确性和测量可靠性。
然而,对于一个使用高精度RTK技术而进行高精度的实际测量系统和测量作业的过程对象来讲,影响制约着测量其实际的测量和数据精度可靠性水平的另两种最主要的物理原因之一可能是在其在进行高精度GPS定点坐标测量与数据处理时发生的误差所导致要所产生的高精度实际坐标测量计算结果误差和为其实际进行高精度坐标与数据转换的工作时发生的误差所导致需要所带来的坐标转换误差。
第3章 RTK技术在地质勘察点放样测量中的应用
工程地质综合勘察技术的开发主要是目的都是要为了全面查明建设工程地质方面的基础条件,分析建设项目所必须存在一定的一些工程地质问题,为各项工程进行建设用地的前期规划、设计、施工、和生产运行中提供相关地质资料数据和规划依据,以便及时选择性能优良合适的各种工程场地,使整个工程地建设活动与项目当地处的各种地质环境资源相适应,保证项目工程建筑地的地质稳定及安全、经济与合理规划和合理正常运用。工程地质环境勘察获取的获取方法主要是包括了有工程地质现场测绘、工程现场勘探、工程地质长期在线观测等[5]。
所谓施工地质和勘察与测量与放样,其两个主要任务主要工作任务之一就是就是要指根据现场施工和设计勘察图纸基础上确定的施工坐标和在现场施工设置的标桩,在勘察施工图基础上,根据建筑产品具有的性能结构特点以及施工现场需要施工等的条件[6]。按图纸一定的比例(通常取1:1)要求准确的绘制建筑结构图形的全部草图或绘制部分的投影结构图,进行建筑结构图纸的局部工艺性计算处理,有时甚至还要据此进行局部展开设计和各种必要工程量的局部计算,最后可以获得结构施工阶段所必须需要用到的图纸数据、样板资料和部分草图数据[7]。
3.1 传统放样测量的常用测量方法和手段
放样法测量方法主要内容有结构放样的测量方法与展开的放样法测量。在中国传统意义的煤田地质综合勘察点的放样或测量工作过程中最普遍常见采用的几种方法是:
首先就需要我们对我国建筑整体工程项目地质现状进行科学全面实地观测,对一个建设整体性工程对其项目内部整体地质情况还需要我们进行更为客观的准确的有效可靠的三维定位高程测量,放样定位基准点高程需尽量与我们建筑设计施工和图纸编制设计工作中设计图纸要求确定的工程地质坐标位置点高度一致,保证了将三维定位误差、施工高程误差的准确值控制在我们国家标准规定误差范围值和幅度限内,有助于使我们进一步提高勘察设计及放样施工精度。对所测量区域的地质定点平面和其周边其他区域地质情况在现场勘察及设计施工完成合格验收程序后,还均按国家规定还需再分别重新对其地质定点平面位置、高程情况逐项进行作了全面复查,保证得到了满足了地质设计施工现场勘测的设计和质量要求,并同时已要求将对所有项目具体点位测定后的各种相关观测数据全部详细地记录下来留存记录下来。然后勘测技术人员才再一次可再根据全国每个重要地质工程的勘察与设计点之间的现场放样数据与地质测量站点位距实际的测量工作情况再来一次选择或使用全站仪,再选择或者使用支距法、交互附会法测量和极坐标法测量等多种其他的方法,最后才能再一次的进行在各地质类建设的工程和勘察及设计各点站之间现场的地质测量点位的实地放样测量或测量工作[8]。
测距仪技术的首次发明尽管使直极坐标法原理得到了更加尽情充分的应用发挥,但我们如果只是说测距仪原理的第一次发明仅是地质测绘史意义上划时代的又一场重大技术领域的重大进步,那么RTK技术首次在地质遗迹勘察布点与放样工程测量技术作业流程中得到的充分应用则又为长期使用传统制图技术难以实施现场施工或放样工作的地质测绘工作领域又带来又了另一场的技术革命[9]。
RTK测量放样试验新技术主要可用于现场进行高压市政道路中线的测量取样和进行高压电力线中线测量的测量放样进行试验准备时,放样现场准备和工作的人员也仅是只需由一人独立操作即已完全是可以现场一次性进行完成,放样作业方式种类更加丰富更加多样更加方便操作而且更加使用简便灵活,不仅现场只需可以一次只须按桩号取样还可完全的可以一次性直接完成按坐标放样。
3.2 利用RTK技术在地质勘察中点放样的工程实例
本项目工程实例就是以在某一特定工程项目实践中如何使用RTK测量技术方法进行工程地质现场勘察和点放样的测量分析为主要基础所进行的研究。
3.2.1 使用RTK设备进行地质勘察点放样测量的主要测量步骤 当在准备开始使用RTK设备和开始准备进行地质勘察或测量作业等勘察作业前准备作业前,应要注意如何提前地对适合自己从事所需地质勘察与测量业务工作要求的一些重点区域对实地环境进行初步勘察及踩点,然后也可再根据当时自己熟悉地质状况及所勘察地和被测量勘察对象处的实地环境特点情况来决定提前和着手如何做好地质勘察及内业工作时所需仪器设备材料的准备购置与准备调试的工作。在工程实际要进行实地勘察控制测量等作业时开始操作前段最好要先进行一次现场的静态控制测量并要获得一个至少有3个点左右及以上位置的控制点坐标,计算出现场实际工作所需的放线样点上的所有控制点坐标数据,监测调试好后RTK设备看看是不是已满可以再开机进行正常测量操作。在野外架设无线基准站时应该采取措施尽量的避免把无线基站天线直接地架设安装在那些能明显避开高压线、湖泊、房屋等区域的或野外的空旷或凹地。RTK设备连接架设全部工作进行完毕无误后,在把所有的设备接口全部的连接并架设好工作完毕无误后在打开基准站设备并先进行测量频率参数的设置,然后在再次在打开RTK移动站的设备,新建好的一个测量频率工程并且进行命名并取好这个工程名字,然后在再在进行一系列的测量频参数的参数设置,设置参数设置完成无误后在可以出现在RTK手部的操作界面菜单中可直接点击找到测量,然后在点击进行测量选中其子菜单中的测量点放样操作后即可直接在进行对测量点坐标的测量放样,放样的操作全部完成确定无误测量后可对测量该点时的点名、点坐标的所有属性信息保存和对测量该点后的点坐标数据保存都将进行数据永久保存。
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