GPS實時動態定位的應用與研究

李家穎

摘要：本文提出了GPS實時動態定位（RTK）以載波相位為根據的實時差分測量（RTDGPS）的原理和具有能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位成果和高精度的優點，分析了 GPS實時動態定位（RTK）在工程測量、公路測量、土地測繪、礦山測量、航道測量等方面的應用，列舉了在南水北調工程中利用RTK 技術進行圖根控制測量和進行直線和曲線的放樣以及用RTK技術進行碎步點野外采集看。并提出了在車輛導航和監控系統和其他一些方面的新應用。車輛導航和監控系統是在GPS 動態實時定位的基礎上, 通過GPS 數據處理, 電子地圖顯示移動車輛的航跡位置來達到指揮調度的目的。隨著差分定位技術的不斷發展和完善, GPS 動態實時定位技術必將以其高精度、高效率、多功能的絕對優勢應用在各個領域之中。

關鍵詞：GPS實時動態定位（RTK）；應用；南水北調工程；車輛導航和監控系統

中圖分類號： P228 文獻標識碼： A

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

-GPS 實時動態定位應用綜述

1．1 GPS RTK一般測量技術的應用

1.1.1 在控制測量中的應用

在流動站觀測采用快速靜態模式, 將GPS 流動站安置在待定點上進行觀測。流動站GPS 接收機接受GPS 信號的同時還接收來自基準站電臺的信號, 將載波相位觀測值進行實時差分處理從而計算出流動站的坐標值, 這時將在GPS 手簿上實時顯示點位坐標值及其精度, 當精度達到要求時即可保存觀測數據停止觀測, 時間一般只需要3～ 5 m in。

根據各生產單位的大量實踐表明, 用RTK進行控制測量能夠達到厘米級精度, 一般都應該在1～ 2 cm 以內，完全可以滿足地形圖測繪中的圖根控制測量和一般工程的控制測量。與傳統控制測量相比, GPS RTK 測量效率高、誤差累積少(各流動站之間不存在誤差累積) ，在精度要求不太高的控制測量中被廣泛應用。

1.1.2 在碎部測量中的應用

用RTK 進行地形測圖碎部測量可以不進行圖根控制而直接根據分布在測區的一些基準點進行各碎部點的測量[1]。安置好基準站并輸入必要已知數據(基準點坐標、參考點坐標等) 后即可進行碎部測量。

RTK 碎部測量與傳統全站儀測量的人員配備不同, 傳統全站儀測量一個作業組至少3 人,RTK 測量只需一人在碎部點上停留觀測2～ 3 s, 另一人看守基準站即可。傳統全站儀測1∶1 000 地形圖時一天能測量約800 點(困難地區只有其一半) , 而用RTK一天能測1 200 點以上, 大大提高了測量效率。同時RTK 測量可以全天候進行, 并且可以多個流動站同時進行碎部測量, 效率可以成倍提高。此外, 傳統全站儀測圖需頻繁搬站, 消耗大量時間。而RTK 測量則不受基準站和流動站之間的地物影響, 設一基準站后可在半徑10 km 內采集任意碎部點(在能觀測到4 顆以上GPS 衛星的前提下)。

1.2 在公路測量中的應用

常規公路測量有些缺陷，主要表現在：

(1) 規范對附合導線長、閉合導線長及結點導線間長度等有嚴格規定,一般對于高等級公路均要求達到一級導線要求。這種要求一般在實際作業中難以達到,往往出現超規范作業。

(2) 搜集到的用于路線測量控制的起算點間一般很難保證為同一測量系統,國測、軍測、城市控制點往往混雜一起,這就存在系統間的兼容性問題。

(3) 國家大地點破壞嚴重,影響測量作業。

(4) 地面通視困難往往影響常規測量的實施[2]。

RTK有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式, 兩種定位模式相結合, 在公路工程中的應用可以覆蓋公路勘測、施工放樣和地理信息系統前端數據采集[3]。

RTK技術將徹底改變公路測量模式,RTK 能實時地得出所在位置的空間三維坐標，RTK技術在公路測量模式中可以直接進行大比例尺地形圖測繪、實地實時放樣、中樁測量、橫斷面測量、縱段面地形線測量、點位測量等工作。測量幾秒鐘,精度就可達1～3cm ,其精度和效率是常規測量無法比擬的。(RTK)定位技術將在公路勘測、施工和后期養護、管理方面有著廣闊的應用前景4]。

1.3 GPS - RTK技術在礦山測量中的應用

GPS - RTK技術應用于礦山測量工作中, 主要用于礦區控制點加密, 地形測量, 鉆孔、剖面點、探槽、探井、坑口、取樣鉆孔、地質點、近井點、坑口位置點的坐標放樣與求測,工程作業調度, 地質填圖等。GPS -RTK可勝任各種測量內、外業工作，需通視RTK測量點位精度可達厘米級, 完全能夠滿足礦山測量的需要。但是由于礦區特殊的環境, 存在一些不利于RTK作業的因素, 如山谷和森林等。主要問題和對策：

（1） 集森林區、不能被衛星很好地覆蓋地區: 高山峽谷深處、密高樓林立區, RTK的使用受到限制, 應配合航空攝影測量和常規測量方法。

（2）高程異常值問題, RTK作業模式要求高程的轉換必須精確, 但我國現有的高程異常圖在有些地區, 尤其是山區, 存在較大誤差, 在有些地區還是空白。應盡量在測區分布均勻的控制點上聯測, 求得較精確的高程轉換參數。

（3）電力供應問題需要多塊大容量電池、電瓶才能保證連續作業, 在電力供應缺乏或偏遠作業區作業時要做好充分準備, 必須帶足備用電池、電瓶。

（4）GPS - RTK作業方式是依賴于有足夠的衛星數、穩健的數據鏈等外界條件, 在礦山測量中顯得很突出, 有時會出現無法正常作業的情況, 這就需要不斷完善GPS - RTK技術, 尋求先進的作業方式[5]。

雖然GPS - RTK技術應用于礦山測量還存在許多不足，隨但著CORS參考站的建立,GPRS和CDMA技術的應用, RTK技術將不斷成熟, 必定會更好的服務于礦山測量

1.4 GPS實時動態(RTK)技術在土地測繪中的應用研究

實踐表明實時動態定位技術在土地測繪中,主要適用于以下幾個方面：

1.4.1 GPS實時動態定位在土地權屬界線放樣中的應用

在土地管理中,有時需要將圖上確定的土地權屬界線放樣于實地,但由于實地地形復雜或通視困難等不利條件,利用常規方法很難標定實際界線, 則可以利用RTK定位技術的流動站放樣功能,在電子手簿上即時顯示流動站所在點與放樣線的方位、距離,僅需要單人背負流動站作業即可[6]。

1.4.2 GPS RTK在地籍控制測量中得應用

實時動態定位技術應用于地籍控制測量,可以根據實際需要,靈活布設控制點,點位可疏可密。如圖1 ,測區為相互獨立的A、B 兩測區,應用實時動態定位技術,就可以在△點上架設基準站,在需要布設控制點A、B 區域,布設控制點,而不必在A、B 測區中間地帶布設傳算點,這使交通不便的獨立地區能方便地進行整體聯測[7]。

圖1 GPS-RTK應用地籍控制測量

采用實時動態定位技術進行地籍控制測量,效率很高。不僅大大優于傳統測量方式,而且明顯優于GPS 靜態測量方式。這種測量方式還非常適合中小城市(鎮) 的地籍控制測量,在面積為100 平方千米 以下的中小城市[8]

1.4.3 GPS RTK在建設用地前期勘測/ 地籍碎部測量中應用

采用實時動態定位方式進行建設用地前期勘測或地籍碎部測量,與采用全站儀進行測量相比較具有非常明顯的優勢即采點速度快,在保持衛星連續跟蹤的情況下,一般單點測量僅需要十幾秒鐘,與全站儀相當。但是在以基準站為中心方圓20 km內,既不需要變換基準站,也不需要圖根控制點,更不需要定向,這就減少了全站儀頻繁換站所花費的時間,且可以使多個流動站同時工作,而互不影響。一臺流動站大約是一臺全站儀工作效率的1. 5 倍。

1.5GPS RTK技術在航道測量中的應用

實時動態測量(RTK)技術在陸地測量和放樣的應用中已經比較成熟,在海洋測量和海洋工程中的應用也已經興起

2 .GPS實時動態定位在車輛自動定位導航系統的應用

2.1 車輛自動定位導航的原理

車輛導航系統是以車載導航系統就是在GPS 動態實時定位的基礎上, 通過GPS 數據處理, 電子地圖顯示移動車輛的航跡位置來達到指揮調度的目的[9]。車輛中內置GPS 接收機根據收到的三顆或三顆以上衛星信息計算出車輛的當前位置數據、移動速度和運動方向。通信控制器經調制解調器從GPS 接收機輸出的信號中提取所需要的位置、速度和時間信息,結合車輛信息形成數據報,通過無線信道發往監控中心。監控中心從中提取出定位信息,根據各車輛的車號和組號等,在監控中心的電子地圖上顯示出來。同樣，監控中心也可以以相同的方式將有關信息（如車流量）經調制解調器傳遞給車載單元。由此，將該系統分為車載單元和監控中心兩部分。見圖2

圖2 車輛自動定位導航的原理圖

2.2 GPS-RTK車輛自動定位導航的研究

車輛導航系統的主要研究的內容包括四部分, 即數據通迅;動態GPS 定位數據處理; 坐標系統轉換和電子地圖制作[10]。具體組成如圖3所示

數據通訊

GPS接收天線 通訊發射天線

圖3 車輛自動導航定位組成圖

2.2.1 數字通信

數字通訊系統在這套系統中起到重要作用, 它是將GPS 接收機定位信息經過調制解調, 然后利用我們自己研制的軍用電臺的專用信道將載有GPS 定位信息、數據信息發回參考站 (即指揮車) , 以使參考站經過數據處理, 將前方觀察車所在的位置實時地顯示在電子地圖上, 其系統原理如圖4所示

圖4車輛自動導航系統數據通訊圖

對于通信傳輸技術要求是: 頻率覆蓋范圍為150～ 450MHZ, 波道具有可選性, 傳輸速率為600～ 1200bps, 數據鏈誤差為0. 2% , 數據鏈作用距離≤40 公里。

2.1.2 動態定位數據處理

(1)對GPS 衛星接收機的技術要求

由于我們是工作在實時動態工作模式下, 所以它給出的是單點定位結果, 為了消除系統誤差影響, 提高定位精度, 需要進行坐標差分改正, 由于觀察動態噪聲和偶然誤差的聯合影響, 需要對定位結果進行濾波修正，則可用采用八通道SOKKIA 單頻大地型接收機，工作方式為全自動四星三維定位, 三星二維定位?；蛘叽蟮匦徒邮諜CGSS1, 在本系統中即可以差分, 也可以單點定位。

（2）動態定位結果的差分改正

由于運動接收機與參考站接收機(指揮車) 采用同步觀測。它們受到相同或幾乎一致的軌道偏差, 大氣折射偏差等影響, 為了盡量消弱這些偏差的影響, 需要對運動接收機定位結果進行差分修正。

設運動接收機在某時刻定位出的坐標向量為Rm ( t) , 參考站接收機定出的坐標向量為Rn ( t) , 它們均參考于WGS- 84 坐標, 設參考站接收機在WGS- 84 系中的已知坐標為R,則可以得到差分改正向量

(1)

運動接收機位置經差分改正后的位置向量為:

(2)

其中Rm ( t) 是通過無線數字通訊傳送到計算機里, Rn ( t) 是參考站觀測直接通過有線通訊得到, R 是事先輸入的已知值。

（3）差分結果的濾波的修正

為了更好地消除動態噪聲和偶然誤差等定位結果的影響, 需要對差分結果進行濾波修正, 下面給出Ka lman 濾波(卡爾曼濾波)的動態方程和觀測方程[20]。

(3)

(4)

式中 表示k 時刻的狀態向量, 若考慮位置, 速度為6×1 維, 若再考慮加速為9×1維, 為k 時刻n×n 維狀態轉移距陣,為k 時刻的動態噪聲一般為零均值高斯噪聲, 有方差陣, 為的設計距陣: 為k 時刻的觀測量, 若定位給出的是位值, 則為坐標觀測量, 若給出的是偽矩, 則為偽矩觀測值;為設計矩陣。為觀測噪聲, 若設定為零均值高斯噪聲, 有方差陣為且與無關。

卡爾曼濾波的遞推公式如下:

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

濾波初值為和。

若在WGS- 84 坐標系內, 取接收機天線相位中心在k 時測的運動狀態為:

(10)

則:

(11)

(12)

若取狀態距陣為:

(13)

（14）

(15)

若接收機直接給出位置結果, 則Hk= 1。

若接收給出偽矩觀測值, 則Hk 為偽矩觀測值方程的設計矩陣, 同時要考慮接收機時鐘參數的影響[11]。

2.1.3 坐標系統轉換

GPS 單點定位結果是參考于WGS- 84 坐標系, 為了與電子地圖的當地坐標系或高斯坐標相一致, 還需進行坐標轉換。

01)坐標系統轉換

由于GSS1 接受機給出的是大地坐標系B,L , H, 將其轉化為地心直角坐標系。

(16)

式中： (17)

(18)

a 和e 為WGS- 84 參考橢球的長半軸和偏心率。

將得到的Rm ( t) 進行式(2) 中的改正得Rm ( t) , 并進行Ka lman 濾波得到的結果改為則可以進行坐標系的轉換。

三參數模型: 三參數模型只考慮坐標平移參數, 只要將差分修正中的參考站已知坐標用當地坐標系中的坐標代入, 則后續的結果相當于在當地坐標系中。

七參數模型: 七參數模型除考慮坐標平移參數外, 還需考慮三個旋轉參數和一個尺度參數, 根據當地的情況來確定七個參數, 一般由多個已知點上同時有當地坐標系和GPS- 84坐標就可以計算出七個參數, 這就是平移后再旋轉布莎法相似變換原理。則轉換公式為:

(19)

其中:為當地坐標系中的坐標轉換結果, 為WGS- 84 系坐標, 為尺度因子, 為旋轉參數, △R 為平移參數,C 為系數矩陣。

(20)

X,Y, Z 為 中的三個分量。

02)地心坐標向大地坐標轉換

第二步的坐標轉換是地心坐標向大地坐標的轉換, 根據公式(16) 至(18)

(21)

(22)

(23)