RTK技术在数字测图中的应用研究

清华大学毕业设计

GPS RTK

在数字测图中的应用研究

系部名称： 勘测系 专业班级： 工程测量技术 学生姓名： *** 指导教师： ***

二○一二年六月

RTK技术在数字测图中的应用研究

摘要

全球定位系统是随着现代科学技术的迅速发展，而建立起来的新一代精密卫星定位系统。它是由美国政府历经20多年，耗资120亿美元，实施的一项庞大的宇宙及航天工程。该系统可以在全球范围内实现全天候、实时地为用户连续提供精确的位置、速度和时间的信息。GPS系统由24颗卫星组成，覆盖全球，每颗卫星连续发射数字伪随机码信号，在地面的GPS用户通过同时接收3颗以上卫星信号来计算出自己在地球上的位置、三维速度和当前时间。GPS卫星定位系统可以提供准确的三维位置、三维速度和精确的时间信息。系统提供P码和C/A码两种定位服务，P码提供精确定位服务(PPS)，C/A码提供标准定位服务(SPS)，分别供军用和民用。对于民用定位服务——SPS，它提供的定位精度为：SA=OFF时，精度小于40 m;SA=ON时，精度小于100 m。随着GPS的发展，人们越来越意识到它作用的重大及应用领域的广阔，除军事应用外，它已被应用于航天、航空、航海、地震、测量、勘探等诸多领域，其应用形式亦多种多样。

本文结合测区建筑工程的数字测图，对RTK与全站仪测量成果进行试验对比，说明RTK技术可用于数字地形测绘。利用RTK结合全站仪测图，对加快工程进度，减小支出成本，有较强的实际意义。

关键词：GPS RTK 全站仪 数字测图 应用研究

目录

第一章 绪论??????????????????????..

第一节 GPS-RTK简介????????????????.. 第二节 数字测图?????????????????.. 第三节 GPS-RTK技术在数字测图中的应用???????..

第二章 GPS-RTK技术

第一节 系统组成???????????????? 第二节 基本原理????????????????

第三节 GPS-RYK的坐标转换???????????????. 第四节 GPS-RTK测量的外业工作????????????. 第五节 观测要求??????????????????? 第三章GPS测量误差????????????????????..

第一节 与GPS卫星有关的误差

第二节 与卫星信号传播有关的误差 第三节 与接收设备有关的误差 第四章 RTK技术在数字测图中的应用分析

第一节 RTK技术的优点

第二节 RTK技术存在的问题与不足之处 第三节 GPS-RTK与全站仪数字测图比较 第四节 实例研究

第一章 绪论

GPS由美国国防部管理和控制，是美国继阿波罗登月和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划，从1973年开始到1993年建成，经历了近20年时间。该系统的建立从根本上解决了人类在陆地、海洋、航空、航天等各个方面的导航和定位问题，具有很高的实用价值。GPS RTK具有定位精度高、无须通视、测量时间短等优点，通过RTK技术结合全站仪进行数字测图实验，表明RTK技术应用于大比例尺数字测图，能够有效提高工作效率，具有较强的实际意义。

目前在数字测图中，全站仪的应用已相当的普遍，使数字测图变得简易可行，但是“先控制，后碎部”的程序，尤其是控制测量从选点，测绘到计算需要较长的时间。GPS –RTK技术经过最近20年的发展，其理论及其应用日趋成熟，广泛，由于具有全天候、无须通视、定位精度高、实时定位等优点，使得GPS应用于数字测图的图根加密控制和碎步测量成为可能. RTK—GPS具有全天候、无需通视、定位精度高、测量时间短等优点,通过在某一测区应用全站仪

第一节GPS RTK技术

GPS 新技术的出现，可以高精度并快速地测定各级控制点的坐标。特别是应用RTK新技术，甚至可以不不设各级控制点，仅依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。进入90年代以来，全球定位系统在应用领域的研究取得了迅速进展，GPS技术逐渐渗透到经济建设和科学技术的许多领域。测绘行业先是用于大地测量，最近，工程测量也广泛应用。

90年代初，GPS技术已形成许多成熟的方法，如静态测量、快速静态测量、准动态测量以及动态测量等，有的可以达到很高精度。静态测量精度可达厘米级甚至毫米级，但观测时间较长，需要记录观测数据和进行事后处理，才能得到测点的坐标。外业精度能否达到规定要求，只能在数据处理完成后才能确定。作为控制测量，GPS与传统测量方法相比，有着定位精度高、速度快、操作简便、经济等优点。但用于工程放样则必须具有实时性。

目前，实时GPS动态测量的研究已获成功，即RTK定位技术。该技术保留了GPS测量的高精度，又具有实时性。故将具有RTK性能的GPS形象地称为GPS全站仪。

第二节 数字测图

20世纪是人类科学技术发展的世纪，电子技术、计算机技术、通信技术的的飞速发展，导致了人类生存与生活方式的改变，而且，也越来越清晰地向人类预示着一个新时代——信息时代的到来。信息时代的特征就是数字化，也可以反过来说，数字化技术是信息时代的平台。数字化是实现信息采集、存储、处理、传输和再现的关键。随着电子技术和计算机技术日新月异的发展，测绘行业也发生了一次根本性的技术变革。20世纪80年代产生的电子速测仪、电子数据终端使野外数据采集摆脱了许多不利因素的影响，精度大大提高，并且向自动化方向发展。计算机技术的发展又使内业机助制图成为可能，并形成了一套从野外数据采集到内业制图全过程、一体化的测量制图系统，人们通常称该系统为数字测图或机助成图系统。

第三节GPS RTK技术在数字测图中的应用

以前，数字化测图主要通过全站仪配合便携计算机或电子手薄，进行野外采集数据、最后利用专业测图软件编辑成图。这种方法要求在测站上测定各个地物地貌的碎部点。即要求碎部点必须与测站点通视。随着GPS技术的出现及其GPS RTK定位技术的广发按应用，采用GPS RTK 技术进行数字化测图可以很好的弥补测站点控制范围的局限性。在数字化测图中，将GPS RTK技术协同全站仪作业，不仅可以不不设控制网，而且大大提高了测图效率和精度。

第四节 课题研究的内容及意义

结合测区建筑工程的数字测图，对RTK与全站仪测量成果进行试验对比，说明RTK技术可用于数字地形测绘。

利用RTK结合全站仪测图，对加快工程进度，减小支出成本，有较强的实际意义。

第二章GPS RTK 技术

第一节 GPS RTK系统的组成

GPS接收机：能够测量到载波相位的GPS接收机都能够进行RTK定位，但是为了快速、精确地求解整周模糊度，双频接收机比较理想。RTK系统至少要有两台接收机（1+1），一台架设在基准站（见上图）上接收卫星信号，一台作为流动站（见上图）接收卫星信号。也可以有多台组成多基站—多流动站式的网络RTK系统。外业测量作业时，可以使用多台套接收机作为流动站同时作业，每一套流动站的组成为：一套流动站GPS接收机及天线、流动站接收信号的电台（有的厂家将其内置于GPS接收机）及天线、设置和显示使用的电子手薄。

GPS RTK定位系统由一套基准站、至少一套流动站构成，必要时需要中继电台。基准站由一套基准站GPS接收机及天线、独立的基准站发射电台（或内置发射电台）及天线组成。由于基准站设置次数少，一般基准站与流动站共用电子手薄，基准站使用电子手薄设置完成后转给流动站使用。

无线电数据链路：基准站发射电台一般为外置独立电台，但是随着科技的发展进步，逐渐被内置的集成电台所替代；流动站接收及电台可以内置在GPS接收机内部，也可以是外置的独立电台；中继站电台可以转发接收机信号，然后发送出去，可接收基准站发送的信号并将基准站型号增强，即扩大基准站信号控制范围。

电子手薄：GPS RTK作业过程中，在流动站一般将GPS接收机电台背在背部。为了便于建立测量项目、坐标系统，设置测量形式和参数，实时阅读进度和存储测量坐标，设计放样坐标或参数并知道放样等，一般手持式电子手薄进行相应操作比较方便。

第二节GPS RTK基本原理 1.绝对定位

绝对定位亦称单点定位，它利用GPS独立确定用户接收机天线(观测站)在WGS-84协议地心坐标系中的绝对位置。

利用GPS进行绝对定位的基本原理为：以GPS卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量ρ为基础，并根据卫星的瞬时坐标(Xs，Ys，Zs)，以确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。 设接收机天线的相位中心坐标为(X，Y，Z)，则有

卫星的瞬时坐标(Xs，Ys，Zs)可根据收到的导航电文求得，所以式中只有X、Y、Z是未知数，只要同时接收3颗GPS卫星，就能解出测站点坐标(X，Y，Z)。因此，GPS单点定位的实质，就是空间距离的后方交会，如图18-4所示。 但是，由于GPS采用了单程测距原理，而卫星钟与用户接收机钟又难以保持严格同步，因此，实际观测的测站至卫星之间的距离ρ，均含有卫星钟与接收机钟同步差的影响，故为伪距。卫星钟差可以通过导航电文中所给出的有关钟差参数加以修正，但接收机的钟差却一般难以预先准确地确定。所以，通常均把它作为一个未知数，与测站点坐标一起在数据处理中进行解算。这样，在一个观测站上要实时解出4个未知参数，即3个点位坐标分量和1个钟差参数，就至少需要4个同步伪距观测值。也就是至少得同时观测4颗卫星。

应用GPS进行绝对定位，根据用户接收机天线所处的状态，可分为动态绝对定位和静态绝对定位。当用户接收机安置在运动的载体上，并处于动态的情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法，称为动态绝对定位;当接收机天线处于静止状态的情况下，以确定观测站的绝对坐标的方法，称为静态绝对定位。前者一般

用于飞机、船舶及陆地车辆的导航，在航空物探和卫星遥感也有广泛应用;后者可用于测定观测站在WGS-84协议地心坐标系中的绝对坐标。

图18-4 GPS绝对定位

由于GPS绝对定位受卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等诸多因素的影响，因而精度较低。目前静态绝对定位的精度可达米级，而动态绝对定位的精度则为10m～40m。 2.相对定位 GPS相对定位，亦称差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。 利用GPS进行相对定位的基本原理为：用两台GPS用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地心坐标系中的相对位置或称基线向量，如图18-5所示。 在实际作业中，也有用多台接收机置于多条基线端点，通过同步观测GPS卫星以确定多条基线向量。

因为在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，因此利用这些观测量的不同组合，进行相对定位，即可有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高了相对定位的精度。 相对定位使用的基本观测量是载波相位测量。载波相位可以是原始的非差相位观测值，也可以是在观测站、卫星和(或)历元之间组合的差分观测值。用原始非差相位进行相对定位称为非差模式;用差分相位进行相对定位称为差分模式。差分模式依所用差分观测量的不同又分为单差模式、双差模式和三差模式。

图18-5 GPS相对定位

所谓单差，是指不同观测站，同步观测相同卫星所得观测量之差，可表示为 △φj(t)=φ2j(t)-φ1j(t) 式中：φj(t)——单差;

φ1j(t)——在观测站T1观测卫星Sj的载波相位观测量;

φ2j(t)——在观测站T2与T1同步观测卫星Sj的载波相位观测量。 单差是相对定位中观测量的最基本线性组合形式。

双差是不同观测站，同步观测同一组卫星所得单差之差，表示为 △△φ(t)=△φk(t)-△φj(t) 式中：△△φ(t)——双差;

△φk(t)——在观测站T1、T2同步观测卫星Sk的单差;

△φj(t)——在观测站T1、T2与观测卫星Sk同步观测卫星Sj的单差。

三差是在不同历元，不同观测站同步观测同一组卫星，所得观测量的双差之差，表示为

△△△φ(t)=△△φ(t2)-△△φ(t1) 式中：△△△φ(t)——三差;

△△φ(t1)——历元t1所得观测量的双差; △△φ(t1)——历元t2所得观测量的双差。 以上模式中，双差模式和非差模式较为常用。三差模式除能较好消除整周未知数的影响，还可进行周跳分析。

与单点定位一样，相对定位亦需要同时观测到4颗卫星。

由于相对定位精度高，可用于控制测量、工程测量以及变形测量等。

RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，系统上主要由基

准站、流动站（一个或多个）及数据链三个部分组成。一般情况下，基准站设在具有已知坐标的高级控制点上，连续接收所有可视卫星信号，并将测站点坐标、天线高、载波相位观测值、伪距观测值卫星跟踪状态及接收机工作状态等参考信息通过数据链发给流动站，而流动站在跟踪GPS卫星信号的同时接受来自基准站的数据，通过差分处理解算与基准站之间的三维坐标增量△X, △Y、△Z，由此计算流动站的坐标。

第三节GPS RTK的坐标转换

WGS84是美国国防部开发的世界大地测量系统。开发这一系统最初目的是为美国军方导航和武器系统提供精确的测量数据和引力数据，随着GPS的广泛应用，这一系统已推广到全球。

GPS的坐标基准是WGS84。GPS导航处理器的原始定位解算统一采用WGS84椭球体参数。我国现在采用的坐标基准是1954年北京坐标系，即BEJ54坐标系。现用地图、海图均以 BEJ54坐标系作为坐标基准，因此对于单点定位，对于实时导航定位，要求定位结果符合该区域地图的坐标系，就必须解决坐标系转换和坐标值换算问题。由于目前全国尚无统一的坐标转换参数，难以实现全国统一的坐标转换，因此采用简易方法，进行适用于局部区域性转换。区域范围大小，则由用户需要的定位精度而定。

对于实时定位，其转换方法是在工作区域选出3个或3个以上高等级大地控制点，用测量型GPS接收机进行较长时间的同步定位联测，求出2个坐标系的坐标差ΔX、△Y、ΔZ作为2个坐标系原点之间的平移参数，并与已知的2个坐标系的2个参数椭球体长半轴之差 Δa和扁率之差△f一起输入给用户GPS接收机，利用GPS接收机内的转换软件完成坐标转换。

GPS卫星观测成果为世界协议坐标系即WGS-84坐标系。而用户坐标系是北京1954坐标系、西安1980国家坐标系或地方独立坐标系，因此RTK测量时应先进行坐标系转换。坐标转换中最简单也是最常用的方法是联测测区三个以上的控制点（坐标已知），通过点校正拟合出最佳转换参数，从而达到坐标转换的目的。

第四节 GPS RTK测量的外业工作

1.基准站设置

连接上手薄基准站以后，一起设置为动态模式。动态模式中可以采取两种方法进行基准站设置，即使用单点定位坐标和使用手工输入坐标。单点定位是把GPS当前某一瞬间测出的WGS-84的经纬度坐标输送给GPS主机；手工定位是把已知的WGS-84的经纬度输送给主机。需要特别说明的是GPS主机只识别WGS-84的经纬度坐标，因此，在不知道基准站所在点位的WGS-84经纬度坐标或相应的WGS-84的直角坐标时，不要使用手工输入模式，否则可能导致基站不能正常工作，发射、差分也将不正常。基准站设置的工作主要有以下几项内容。

1）基准站参数设置

基准站架设好后需设置相关参数，参数主要有：基准站发射间隔、差分数据格式、卫星截止角和PDOP值限制等。建议都使用默认设置，除非当前卫星的PDOP值大于3时可以适当放宽限制（PDOP值大于3时，卫星条件比较差，会在一定程度上影响流动站固定解的速度）。基准站设置成功后，查看电台有无按照设定的发射间隔正常发射。

基准站参数也可以自动设置，一般的设备都有此功能。主机的自动启动基准站设置是在卫星条件达到要求的情况下自动完成采集单点定位的WGS-84经纬度坐标，并设置主机进行基准站工作的一系列操作步骤。

2）手工输入坐标设置基站

手工输入的坐标必须是WGS-84的经纬度坐标或直角坐标。实际上在常规的测量下，这样的基准站操作的意义并不大。可以有两种选择方式：一种是大地坐标，一种是平面坐标。在输入相应数据以及进行相应设置后，软件一般会提示：“基准站设置成功”。

3）点校正模式

GPS-RTK测量工作中，点校正是必要的工作步骤。点校正的目的是求解WGS-84坐标转换为用户使用坐标的转换参数。应当至少有4个控制点的三维已知坐标和相对独立的WGS-84坐标（可以直接观测得到）；选择的已知控制点应将测区包围起来。

基准站架设在已知点自动发射差分信号以后，流动站要先检查使用的转换参数是否正确，然后进入“校正向导”，选择“基准站架设在一直点，输入基准站假设点的已知坐标及天线高，并且选择“天线高”形式，输完后系统会提示是否校正，并且显示相关帮助信息，检查无误后“确定”，校正完毕。

流动站在已知点上水平对中，并达到固定解以后先检查所要使用的转换参数是否正确，然后进入“校正向导”，在校正模式里面选择“基准站架设在未知点”，系统提示输入当前流动站的已知坐标，再将流动站对中于已知点上，输入已知点的坐标、天线高和天线高的量取方式后“校正”，系统会提示是否校正，“确定”即可。

2.流动站设置

流动站设置基本内容包括：电台设置（蓝牙设置）；流动站基本信息设置（天线高，卫星高度截止角）；与数据处理相关的参数设置。

1）电台设置

电台设置主要目的是设置与基准站主机的通信参数以及完成主机电台的读取或切换，主要是通过从接收机中选择读取当前电台的通道、设好电台通道后，在设备主界面中将出现该 信号通道。

2）基本信息设置

流动站基本型系主要包括天线高和卫星高度截止角。天线高是指测量点至天线相位中心的距离。测点时，当天线高不变的情况下不需另外输入。

由于低高度角的卫星信号穿透电离层和对流层时，引起的折射比较大，并且多路径效应使得低高度角卫星信号在接收时有更大的延迟，因此GPS测量时对观测到的卫星必须加以选择。测量时可以设置卫星高度角，在处理数据时也可对已测量并参与处理的相应卫星高度角进行设置，即测量中和测量后（数据处理前）都可以对卫星的使用进行限制，屏蔽低高度角的卫星。输入高度截止角为10°，10°以下的卫星将被屏蔽而不被采用。卫星高度截止角的设置要根据实际情况，一般最高的截止角设置在20°以下。

3）数据处理设置

数据处理前首先要设置好流动站主机的解算精度标准和差分数据格式。 解算精度标准默认为high（窄带解），二者的选择取决于测量的工作环境和测量结果的进度要求，high为通用的解模式，但是当测量工作环境不是很好（如对卫星信号有遮挡的树林或树丛中，移动距离操作在10KM以上）且对测量结果精度要求不高的情况下（commond的固定解精度要比high的固定解精度低2-3cm），可以选择common，这样得到固定解的速度会加快。

同样流动站差分数据格式的操作也是如此。默认的差分数据格式为RTCA，同时软件提供另外两种数据格式为RTCM和 CMR。只要保持基准站和流动站的数据通信格式相同，仪器设置就是正确的。

3.测量数据采集

设备设置完成后即可进行野外数据采集，野外数据采集实际上就是RTK测量成图的过程，因为这个过程能够完成实时测图、实时绘图。内外一体化作业。一

般测量有两种形式：一是独立地物点测量；一是连续点测量。

独立地物点测量是将测杆放于待测独立地物点上，选择相应的地物层和属性（如路灯）后，再点击测量，则自动存储；连续点测量是将测杆放于待测线路或边界点上走一趟（一圈），选择测量中的相应图层，设置相应地物的属性（如道路，水渠），再点击测量，自动存储。

测图操作中各个具体仪器略有差异，基本过程大致相同，其作业过程主要为：新建工程→求坐标的转换参数→开始测图→成果输出。

第五节观测要求

1.同步观测的可见卫星数和卫星分布因子对观测成果精度有较大的影响，可以

根据卫星预报表安排作业。

2.考虑到电台近直线传播对流动站的有效性，基准站站点的选择尽可能布置在较高的位置上，还应该避免高压线和无线电发射塔等强电源的干扰；远离大面积水域，避免多路径效应的发生；结合测区的实际情况，可以将基站布置在屋顶或山头上，利用流动站联测控制点强校正测站点的坐标，以此为基础进行图根加密和碎步测量。

3.在进行图根加密测量时，流动站站点的选择具有较大的灵活性，但考虑到全站仪测图的要求，在通视条件困难地区最少应有一个通视方向，在开阔地带应该有2到三个通视方向。

4.数据链的电台选择应能满足测区的通信要求，一般RTK电台有2~3种功率档次，功率越高，传输距离越远，但要注意的是，功率越大，对基站的信号接收和发送影响也越大，因此要适当的增大发送电台与基站的距离。

第三章GPS测量误差

第一节 与GPS卫星有关的误差

与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差。 1.卫星钟差

由于卫星的位置是时间的函数，因此GPS的观测量均以精密测时为依据。而与卫星位置相对应的时间信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上，尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟(铷钟和铯钟)，但它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差或漂移。这种偏差的总量约在1ms以内。

对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。经钟差改正后，各卫星钟之间的同步差，即可保持在20ns以内。

在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差(或差分)的方法消除。

2.卫星轨道偏差

估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，又难以充分可靠地测定这些作用力，并掌握它们的作用规律。目前，卫星轨道信息是通过导航电文得到的。 应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。测量的基线长度越

长，此项误差的影响就越大。

在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下三种方法： (1)忽略轨道误差

这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差。所以广泛应用于精度较低的实时单点定位工作中。

(2)采用轨道改进法处理观测数据 这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它未知参数一并求解。

轨道改进法一般用于精度要求较高的定位工作，并且需要测后处理。

(3)同步观测值求差

这一方法是利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的同步观测值求差，以减弱卫星轨道误差的影响。由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更为明显。

这种方法对于精密相对定位，具有极其重要的意义。

第二节 与卫星信号传播有关的误差

与卫星信号传播有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应。 1.电离层折射的影响

GPS卫星信号和其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变化。当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小;而当卫星接近地平线时，则影响最大。 为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采取以下措施：

(1)利用双频观测

由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测，便能够确定其影响值，而对观测量加以修正。因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位测量中得到广泛应用。不过应当明确指出，在太阳辐射强烈的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测，尤其是精密定位测量。

(2)利用电离层模型加以修正 对于单频GPS接收机，为了减弱电离层的影响，一般是采用由导航电文所提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正。但是这种模型至今仍在完善之中。目前模型改正的有效性约为75%。

(3)利用同步观测值求差

这一方法是利用两台或多台接收机，对同一组卫星的同步观测值求差，以减弱电离层折射的影响。尤其当观测站间的距离较近时(<20km)，由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星的同步观测值求差，便可显著地减弱电离层折射影响，其残差将不会超过10-6。对单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。

2.对流层折射的影响

对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量两部分。干分量主要与大气的温度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算;湿分量目前尚无法准确测定。对于较短的基线(<50km)，湿分量的影响较小。

关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：

(1)定位精度要求不高时，可不考虑其影响; (2)采用对流层模型进行改正;

(3)引入描述对流层影响的附加待定参数，在数据处理中一并求解;

(4)采用观测量求差的方法。与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远(<20km)时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相似，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显地减弱对流层折射的影响。

3.多路径效应影响

多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，如图18-19所示。两种信号叠加，将会引起测量参考点(相位中心)位置的变化，从而使观测量产生误差。而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。根据实验资料的分析表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达米级，对测相伪距的影响可达厘米级。而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。 目前减弱多路径效应影响的措施有：

(1)安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面、平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等;

(2)选择造型适宜且屏蔽良好的天线，如采用扼流圈天线等; (3)适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响;

(4)改善GPS接收机的电路设计，以减弱多路径效应的影响。

多路径效应示意图

第三节与接收设备有关的误差

与GPS接收设备有关的误差主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。

1.观测误差

观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。 根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。故知载波相位的分辨误差比码相位为小。由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明

显地减弱其影响。

接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置平与对中误差以及量取天线高的误差。在精密定位工作中，必须认真、仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。

2.接收机的钟差

尽管GPS接收机设有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10-11，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。

处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也就得到接收机的钟差改正。 在精密相对定位中，通过利用观测值求差的方法，能有效地减弱接收机钟差的影响。

3.载波相位观测的整周未知数

载波相位观测是当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部分，而无法直接测定载波相位整周数，因而存在整周不定性问题。

此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生周跳现象。从卫星信号失锁到信号被重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似。在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。 关于整周未知数和周跳的解算与处理方法前已述及，这里不再赘述。 4.天线的相位中心位置偏差

在GPS定位中，观测值是以接收机天线的相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是，实际上天线的相位中心位置，随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置(称为视相位中心)与理论上的相位中心位置将有所不同。天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。

第四章RTK在数字测图中的应用分析

第一节RTK 技术的优点

1.传统测量外业容易受到地形地形、气候、季节等诸多因素的影响，

使测量精度、作业速度都受到很大的限制，在能见度低，同时条件差的情况下，有些测量作业根本无法进行，二GPS-RTK技术，解决了这个问题。

2定位精度高，数据安全可靠，测站间无须通视。在没有已知基准点或基准点被破坏而造成的控制点不足的地区和由于地形复杂、地物障碍而 造成的通视困难地区能快速的、高精度定位。

3.综合测绘能力强，作业集成度高，易实现自动化。可胜任各种测量类外业工作。基准站能够为不同用户提供多项信息输出，流动站利用内置软件控制系统，在作业时，无需人工干预便可进行整周未知数的动态初始化解算，使辅助测量工作极大减少，作业进度也自动控制和记录，从而使自动化作业指挥系统的建立成为可能。

4.操作简便，对作业条件要求不高，数据传输、处理、存储能力强，与计算机、全站仪等测量仪器通信方便。

5.作业人员少，定位速度快，综合效益高。GPS接收机仅需一个人操作，在待测点等待1-2秒即可获得该点的坐标，外业效率高；内业便于计算机处理。节省了时间和人力。

第二节 RTK技术存在的问题与不足之处

1.卫星可见度问题 在不能被卫星很好的覆盖地区：高山峡谷深处、密集森林区、高楼林立区，RTK的使用受到限制。

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，在有些地区都还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相对困难，精度也不均匀。

3.外界干扰问题 易受到障碍物如大树、高大建筑物、大面积水域和高频信号源地干扰，精度会受到影响。

4.初始化的问题 在山区、林区、闹市区作业时，GPS卫星信号会被阻挡，容易造成失锁，采用RTK作业时需要经常重新初始化。 5.电力供应问题 需要多快大容量电池、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是要做好充分准备。

第三节 GPS-RTK与全站仪数字化测图比较 序号 项目 GPS-RTK数字化测图 全站仪数字化测图 一般是在国家高等级 测区控不需要常规测量控制网，只要通过控制网店的基础上点1 制测量 GPS静态联测国家点来测设测区控加密次级控制点，然 制点即可 后依据加密的控制点，布设图根控制点 实时成图：一般需配 置1位观测员、1位测2 外业人一般由两人完成，其中一人看守基图员、2-3位跑尺员。员配置 站，一人持GPS流动站观测，并绘工事后成图；至少需两作草图 人，其中1人操作仪器观测，1人跑尺，并绘制工作草图 3 成图方一般采取事后成图方式 即可事后成图，也可式 现场实时成图 4 通视性 基准站与观测碎步点的流动站间只要求测站点与碎步点要电磁波通达即可，不需几何通视 必须几何成图 5 作业距作业半径可达5-20KM，不存在在不受全站仪最大测程影离 清楚而降低作业精度或者出错的情响；当超出1.5KM后况 因成像不清晰而降低作业精度 6 误差积不会积累，单人操作即可 会积累，支点搬站太累 多，仪器的对中和整

7 气候影受天气影响不大，靠卫星定位，全天响 候作业 独立性 完全独立，基准站与流动站相互独立，工作重点在流动站工作终端，1人手持流动站即可独立作业 8 9 精度可高，靠卫星定位，在作业范围内能保靠性 持厘米级精度 平精度不高，会造成误差 受天气影响较大，雾天、阴雨天将不能作业 需要协同作业，测站和镜站必须配合作业，测量时用对讲机协作 较高，靠观测目标，因此距离较远时无法保证要求精度 第四节 实例研究 1.测区概述

某市经济开发区数字测图面积约15km2的数字测图，测区属于丘陵地带，地势平坦；测区控制网按E级网布设施侧，经检验，结果合格可靠。为了加快工程进度，计划利用一套GPS-RTK与多套全站仪配合使用，GPS-RTK的任务是为全站仪加密部分图根点，并完成大面积的耕地区和植被稀少的微秋区的测量。本次试验中，使用的GPS为中海达HD8200E双频接收机，标称精度为10mm+2ppm；全站仪型号为南方NTS-322，标称精度（2”,3+2ppm）.为了保证测量数据的正确性，分别对RTK测量成果与静态GPS控制网和一条附和导线进行实验对比.

2.实验研究

选择K04作为基准站站点，安置仪器，在控制手薄中设置好天线高度，基准站点的坐标、坐标系转换参数、预设精度指标的参数。

1.在测区均匀选择部分控制点，进行RTK观测，坐标差结果对比见表1.

表1 GPS-RTK数据与E级控制网坐标差

点号 K05 K11 K13 △X/m -0.014 0.028 0.027 △Y/m 0.021 0.032 0.011 △Z/m 0.015 0.026 0.028 点位误差m/m 0.025 0.043 0.029 平距D/m 775.4 1432.6 975.3 K14 K15 -0.008 0.017 -0.024 0.028 0.019 0.031 0.025 0.033 602.7 813.6 注①△X、△Y为GPS-RTK测量数据与E级网GPS测量数据之差，△Z为GPS-RTK测量数据与水准仪测量数据之差；②平距D是指流动站点到基准站的距离。

从表1可以看出，点位平面误差绝对值均不大于5cm，一般来说，距离越近精度越高。

2）在点K04-K11之间布设一条附和导线，用全站仪测量，导线点高程按对向三角高程计算，经简易平差，各项限差满足《城市测量规范》（CJJ8-99）的要求，然后用RTK复测，结果对比见表2.

表2 GPS-RTK数据与导线数据坐标差

点号 A01 A02 A03 A04 A05 △X/m 0.015 03009 0.021 0.015 0.028 △Y/m -0.024 0.017 0.014 0.026 0.013 △Z/m 0.026 -0.013 0.022 -0.018 0.027 点位误差m/m 0.028 0.019 0.025 0.030 0.031 注：△X、△Y为GPS-RTK测量数据与全站仪测量数据之差，△Z为GPS-RTK测量数据与三角高程数据之差。

从表2可以看出，点位平面误差和高程分量误差绝对值均不超过5cm，RTK测量数据用于图根测量时能够到达一级导线的精度要求。

从以上数据对比可知，GPS RTK可以在数字测图中进行图根加密测量，同样也适用于碎步测量，精度满足测图需要。 3.实践

流动站开始测量之前，先联测1~2个已知控制点，评定测量精度，如果满足设计要求则开始测量任务，否则要考虑基准站和流动站参数设置是否有误以及数据链的正常工作与否。测量时要有较好的“净空”条件，使接收机能跟踪4颗以上

卫星，获得固定解，以保证待定点达到厘米级的精度。

（1） 图根加密测量。在居民小巷内或在通视条件比较困难的地方，用RTK

测定至少2个点为一组；有条件的地方，测定3~4个点为一组，以供检查之用；各组之间可以不需要通视。

（2） 碎步测量。司尺员在特征点上立点，记录点号并勾画草图，以便室内成

图。

与常规测量相比，GPS RTK测量具有明显的优越性。首先，配备的人员少，全站仪测量要3~4人每组，GPS RTK只要1~2人每组即可；其次，RTK作业时间快，缩短了常规测量中加密图根点的时间；最后，RTK测图更有精度保证，其观测成果都是独立观测值，不存在误差积累。在平坦地区的试验对比中，常规测量的测图范围是每天每组1.5副标准图件，应用RTK可以完成每天每组2.5幅。通过此次试验表明，全站仪与GPS RTK的有机结合，能大大加快工作进度，节省工程成本。

4.应注意的问题

与常规测量相比，RTK测量需要的测量人员少、作业时间短、能够极大地提高工作效率。但是在实施时，也可能会出现一些问题，影响工作进度，主要有以下几个方面。

（1）各作业小组要注意分工协作，不要漏侧重测。在RTK测量困难地区，应利用全站仪补测。

（2）选择基站是要考虑数据链能否正常工作，因为电台功率一般比较低，又是 “近直线”方式传播，所以要考虑距离和“视场”。一般基准站选择在靠近测区中央、位置较高的地方。

（3）RTK测量之前，一定要联测已知点，评定测量精度。

（4）在不“失锁”的情况下，获得待定点的固定解只需1-2s时间；否则要8-15s的时间。如果周围存在高大建筑物、强电流活反射性强的大面积水域等反射物，有时候会出现解算时间较长甚至无法获取固定双差解的情况。

（5）个别地物或特征点无法直接测量时，可通过一定的几何方法解决。

结语

当今中国正处于国家信息化的大潮之中，国家要通过推进信息化，促进现代化，加速我国经济、社会的发展。正是在国家信息化建设的大背景下促使测绘信息化的发展，国民经济建设和社会可持续发展对诸如时间、空间、属性这类地

理空间信息或者说广义测绘信息的需求也在迅速增长。测绘学科和行业在国家信息化和现代化建设中发挥着越来越重要的作用。为了适应国家信息化的建设的要求，测绘正开始步入信息化测绘新阶段。由此对测绘人才队伍建设提出了更高的要求。

随着GPS技术的出现及其RTK定位技术的广泛应用,采用GPS RTK定位技术进行数字化测图可以很好地弥补测站点控制范围的局限性，而且大大提高了测图效率和精度,取得了良好效果。

在此次毕业论文中，通过收集资料，论述了GPS RTK的工作原理、技术关键、在数字地形图测量中的应用及其精度分析，通过利用徕卡GPS RTK进行数字地形图测量结果进行探讨，从而得出以下结论：

1、随着GPS RTK技术的不断完善和对其功能的进一步开发，GPS RTK在测量领域中将会被广泛应用。

2、GPS RTK和全站仪进行结合，将实现优势互补，为数字化测图提供更加高的效率。

3、RTK受环境的限制越小，所需时间越短；精度越高；作业半径越大，因而效率也就越高。

GPS RTK技术的强大功能与潜力尚未充分发掘，与GIS集成、实时控制、综合自动化作业是其未来的发展方向。随着科技的不断进步，精度更高，初始化速度更快，环境限制性更小，抗干扰更强的GPS RTK系统将会很快出现。GPS RTK在地形测量、控制测量方面的应用将更广泛。因此，对于测绘行业，GPS RTK的应用将成为今后很长一段时间内的主流方向。GPS RTK的全面应用，不仅是提高了精度，方便省时，同时也降低了工程成本。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓。GPS RTK在隐蔽地区测量的研究将成为以后RTK技术研究的重点。

利用RTK 结合全站仪测图，对加快工程进度，缩小支出成本，有较强的实际意义。基于这种思想，本文结合工程实例，对联合使用两种数字测图方式进行了探讨.

致 谢

从踏入校门到如今已经快三年了，借此设计完成之际，谨向老师致以忠心的感谢。感谢你们三年来的关心与帮助！

我首先要感谢我的指导老师陈志兰老师，感谢她在百忙之中抽出时间对我的设计进行指导、修改，并提出宝贵的意见。陈志兰老师严谨的治学态度，以及敏锐的学术眼光，对设计中问题的独到见解深深感染了我，为我的论文完成起到了至关重要的作用，感谢她在这三年中对我们孜孜不倦的教诲。其次，我要感谢我的辅导员及各科任课老师。在学习期间，由于时间短、课业多，各位老师总是合理安排，不辞辛劳，一丝不苟地给我传授知识，使我的专业理论水平有了很大的提高。感谢老师们对我的栽培与信任，同时还要感谢同学对我工作的支持以及平时在生活学习上帮助！

最后，再一次向给过我无私的关心和帮助的指导老师、辅导员、任课老师、同学和朋友表示深深的谢意！ 谢谢你们！ 参考文献

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