【正文】 1GPSRTK 技術在公路橫斷面測繪中的應用項目設計方案第一章 引 言 課題的目的及意義隨著測繪技術的快速發(fā)展，GPSRTK 技術憑借其 (1) 不受到地形、氣候、季節(jié)等諸多因素的影響以及作業(yè)速度快，不受見度低, 通視條件差的影響依舊能夠正常工作；(2) 定位精度相對較高, 測量得到的數(shù)據(jù)安全可靠而且測站之間不需要通視。在沒有已知基準點或者是已知的基準點位置變化很大而造成的控制點不夠的地區(qū)，或者是由于地形繁雜、遮擋嚴重而造成的通視困難地區(qū)，GPSRTK 能夠迅速的、高精度定位；(3) 綜合作業(yè)能力強、高集成度且容易實現(xiàn)自動化?？蓜偃胃鞣N測量內(nèi)、外業(yè)任務?；鶞收究梢詾椴煌脩艚o出多類信息輸出, 流動站使用內(nèi)置的軟件控制系統(tǒng), 在工作過程中, 無需人工干涉就可進行整周未知數(shù)的動態(tài)初始化解算, 使協(xié)助測量工作大大的消減, 作業(yè)的精度也是自動控制和記載,從而使可能建成自動化作業(yè)指揮系統(tǒng)；(4) 掌握簡便, 對作業(yè)的條件相對要求不高, 數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲能力強, 而且和計算機、全站儀等測量儀器的通信方便； (5) 使用較少的測量人員就可以完成測量任務, 定位效率高, 綜合效果突出。GPS 接收機只需一個人進行操作, 在待測點等待1～2 秒就可以測量得到這個點的坐標,野外工作效率高、內(nèi)業(yè)方面方便計算機進行數(shù)據(jù)處理, 節(jié)約了時間和人力等長處漸漸的被人們所熟知，并被應用于測繪的各個領域。而傳統(tǒng)的道路橫斷面測量方法大量使用抬桿法、水準儀皮尺法或者全站儀法（經(jīng)緯儀視距法） 。此中抬桿法測量橫斷面的精度相對來說比較低，難以得到現(xiàn)代工程尤其是高等級公路對測量精度的需求；水準儀皮尺法或者全站儀法的測量精度相對來說高一些，然則受到通視這個前提的限制以及需要測站上觀測2人員和跑尺人員的配合，降低了工作效率，工作量大，嚴重的制約了工程的進度及質量。研究 GPSRTK 技術在公路橫斷面測繪中的應用的意在怎樣利用 GPS RTK 技術來解決傳統(tǒng)的道路橫斷面測量中工作量大、效率低，嚴重限制工程進度、成本以及質量的問題。于是，研究 GPSRTK 技術在公路橫斷面測繪中的應用 不光具備理論意義，更重要的還在于其有非常重要的現(xiàn)實意義，有著很廣泛的應用遠景。 資料調(diào)研分析RTK（Real time kinematic）實時動態(tài)差分法。這是一種新的經(jīng)常使用的 GPS 測量方法，RTK 定位技術其實是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定的坐標系中的三維定位成果，并達到厘米級精度。這是 GPS 使用的重大里程碑，它的泛起為工程放樣、地形圖的測量以及各類控制測量帶來了新的前景，極大地抬升野外作業(yè)的效能。公路橫斷面測量就是測量垂直于公路中線方向上的一條直線的地形的升沉變化的情況，用于路基(包含排水、用地)、擋墻、防護工程設計和土石方工程量的計算等。大量使用抬桿法、水準儀皮尺法或者全站儀法（經(jīng)緯儀視距法） ，工作量大卻造成效率低下，嚴重的制約著工程的進度、成本以及質量。通過查閱文獻可知，采用 GPSRTK 技術作業(yè)區(qū)域內(nèi)的站點之間不需要通視。天氣條件對 GPSRTK 構不成影響，可全天候進行工作而不必考慮白天還是晚上。關于測設精度方面，使用 RTK 技術，點位精度可以及時的顯示，而且放樣每一根中樁時，測點精度大抵相同，不存在累計誤差，基本大體上達到了測量精度的均勻分布。將其應在公路橫斷面測量中有廣泛的應用前景，且適用于多種條件下的測繪工作。 設計方案的可行性分析和預期目標 可 行 性 分 析GPSRTK 技術是作為一種經(jīng)常使用的 GPS 測量方法，被廣泛的應用于各類不同比例的地形測量當中。1．現(xiàn)以山東理工大學校園內(nèi)的橫斷面測量資料作為基礎數(shù)據(jù)，使用 GPSRTK 進行前期道路橫斷面的實測和預分析，為課題的研究提供了基礎數(shù)據(jù)和資料。32．在觀測過程中，對測量點進行合理的代碼編寫，并應用 Python 程序編寫數(shù)據(jù)處理程序得出橫斷面數(shù)據(jù)。 預 期 目 標1．了解 GPSRTK 技術特點；2．總結使用 GPSRTK 進行公路橫斷面測繪的方法步驟以及注意事項。3．應用 Python 軟件編寫出合適的數(shù)據(jù)轉換程序。4．將其與常規(guī)公路橫斷面測繪相對比，通過分析總結出 GPSRTK 技術在公路橫斷面測繪中的優(yōu)勢與局限，便于應用到工程項目中提高工程進度、成本以及質量。第二章 GPS 和 RTK 的相關理論4第二章 GPS和RTK的相關理論 GPS定位系統(tǒng)概述GPS 是全球定位系統(tǒng)是（global positioning system）的英文縮寫，是跟著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展而建立起來的新一代精密衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。GPS 衛(wèi)星定位測量是利用 GPS 系統(tǒng)解決大地測量的一項空間技術。 特 點利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，以構成全球定位系統(tǒng)。GPS 具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的精密三維導航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS 技術在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領域得到了廣泛的應用，在物探測量工作中廣泛普及及應用。對于物理點的放樣已經(jīng)不再僅僅是采用測角和量距，而是借助 GPS 導航衛(wèi)星信號來確定地面點的準確位置。 組 成GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)由 3 部分組成：（1）空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收設備部分。其中 GPS 的 空 間 部 分是 由 24 顆 工 作 衛(wèi) 星 組 成 ,它 位 于 距 地 表 20200km 的 上 空 ,均 勻 分 布 在 6 個 軌道 面 上 (每 個 軌 道 面 4 顆 ) ,軌 道 傾 角 為 55176。 此 外 ,還 有 4 顆 有 源 備 用 衛(wèi)星 在 軌 運 行 。 衛(wèi) 星 的 分 布 使 得 在 全 球 任 何 地 方 、 任 何 時 間 都 可 觀 測 到 4 顆以 上 的 衛(wèi) 星 ,并 能 保 持 良 好 定 位 解 算 精 度 的 幾 何 圖 象 。 這 就 提 供 了 在 時 間 上 連續(xù) 的 全 球 導 航 能 力 。 GPS 衛(wèi) 星 產(chǎn) 生 兩 組 電 碼 ,一 組 稱 為 C/A 碼(Coarse/Acquisition Code11023MHz)。一 組 稱 為 P 碼 (Procise Code 10123MHz),P 碼 因 頻 率 較 高 ,不 易 受 干 擾 ,定 位 精 度 高 ,因 此 受 美 國 軍 方 管 制 ,并 設 有 密 碼 ,一 般 民 間 無 法 解 讀 ,主 要 為 美 國 軍 方 服 務 。 C/A 碼 人 為 采 取 措 施而 刻 意 降 低 精 度 后 ,主 要 開 放 給 民 間 使 用 。（ 2） 地 面 控 制 部 分 由 一 個 主 控 站 ,5 個 全 球 監(jiān) 測 站 和 3 個 地 面 控 制 站 組成 。 監(jiān) 測 站 均 配 裝 有 精 密 的 銫 鐘 和 能 夠 連 續(xù) 測 量 到 所 有 可 見 衛(wèi) 星 的 接 受 機 。 監(jiān)測 站 將 取 得 的 衛(wèi) 星 觀 測 數(shù) 據(jù) ,包 括 電 離 層 和 氣 象 數(shù) 據(jù) ,經(jīng) 過 初 步 處 理 后 ,傳 送到 主 控 站 。 主 控 站 從 各 監(jiān) 測 站 收 集 跟 蹤 數(shù) 據(jù) ,計 算 出 衛(wèi) 星 的 軌 道 和 時 鐘 參 數(shù) ,然后 將 結 果 送 到 3 個 地 面 控 制 站 。 地 面 控 制 站 在 每 顆 衛(wèi) 星 運 行 至 上 空 時 ,把 這第二章 GPS 和 RTK 的相關理論5些 導 航 數(shù) 據(jù) 及 主 控 站 指 令 注 入 到 衛(wèi) 星 。 這 種 注 入 對 每 顆 GPS 衛(wèi) 星 每 天 一 次 ,并 在 衛(wèi) 星 離 開 注 入 站 作 用 范 圍 之 前 進 行 最 后 的 注 入 。 如 果 某 地 面 站 發(fā) 生 故 障 ,那 么 在 衛(wèi) 星 中 預 存 的 導 航 信 息 還 可 用 一 段 時 間 ,但 導 航 精 度 會 逐 漸 降 低 。 （ 3） 用 戶 設 備 部 分 即 GPS 信 號 接 收 機 。 其 主 要 功 能 是 能 夠 捕 獲 到 按 一 定衛(wèi) 星 截 止 角 所 選 擇 的 待 測 衛(wèi) 星 ， 并 跟 蹤 這 些 衛(wèi) 星 的 運 行 。 當 接 收 機 捕 獲 到 跟 蹤的 衛(wèi) 星 信 號 后 ， 即 可 測 量 出 接 收 天 線 至 衛(wèi) 星 的 偽 距 離 和 距 離 的 變 化 率 ,解 調(diào)出 衛(wèi) 星 軌 道 參 數(shù) 等 數(shù) 據(jù) 。 根 據(jù) 這 些 數(shù) 據(jù) ， 接 收 機 中 的 微 處 理 計 算 機 就 可 按 定位 解 算 方 法 進 行 定 位 計 算 ， 計 算 出 用 戶 所 在 地 理 位 置 的 經(jīng) 緯 度 、 高 度 、 速 度 、時 間 等 信 息 。 接 收 機 硬 件 和 機 內(nèi) 軟 件 以 及 GPS 數(shù) 據(jù) 的 后 處 理 軟 件 包 構 成 完整 的 GPS 用 戶 設 備 。 GPS 接 收 機 的 結 構 分 為 天 線 單 元 和 接 收 單 元 兩 部 分 。 接收 機 一 般 采 用 機 內(nèi) 和 機 外 兩 種 直 流 電 源 。 設 置 機 內(nèi) 電 源 的 目 的 在 于 更 換 外 電 源時 不 中 斷 連 續(xù) 觀 測 。 在 用 機 外 電 源 時 機 內(nèi) 電 池 自 動 充 電 。 關 機 后 ， 機 內(nèi) 電 池 為RAM 存 儲 器 供 電 ， 以 防 止 數(shù) 據(jù) 丟 失 。 目 前 各 種 類 型 的 接 受 機 體 積 越 來 越 小 ， 重量 越 來 越 輕 ， 便 于 野 外 觀 測 使 用 。 GPS原理及其應用 GPS工 作 原 理GPS 導航系統(tǒng)的基本原理是通過測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，進而綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就確定接收機的具體位置。要達到這一目的話，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出，而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當 GPS 衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用 1 和 0 二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。GPS 系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的 C/A 碼和軍用的 P(Y)碼。C/A 碼頻率 ,重復周期一毫秒，碼間距 1 微秒，相當于 300m；P 碼頻率，重復周期 天，碼間距 微秒，相當于 30m。而 Y 碼是在 P 碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s 調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個主幀中包含 5 個子幀每幀長 6s。前三幀各 10 個字碼；每三十秒重復一次，每小時更新一次。后兩幀共 15000b。 而導航電文中的內(nèi)容主要是遙測碼、轉換碼、第 3 數(shù)據(jù)塊，其中最重第二章 GPS 和 RTK 的相關理論6要的部分則是星歷數(shù)據(jù)。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶之間的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處的位置，用戶在 WGS84 大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。 GPS測 量 原 理GPS 測量原理主要有兩種：（1）碼相關偽距測量原理：碼相關法偽距測量是通過調(diào)整自相關函數(shù) 的??tR值，測定測距碼信號由衛(wèi)星到達測站的傳播時間實現(xiàn)的。自相關函數(shù)的嚴格表達式是 (21)????dtUtTtR???????01式中， 為測距碼信號的傳播時間； 為接收機復制碼延遲； 為測距碼t????tU??信號； 為接收機復制碼信號；T 為測距碼信號周期。????U 自相關函數(shù)具有下述 3 種可能的狀態(tài)：1）當 時,由于兩個碼序列的結構相同，測距碼序列與復制碼序列完全對齊,因?t而任意時刻兩個碼的狀態(tài)相同，其乘積碼恒等于 1。這時，自相關系數(shù)也等于1，即 (22)???????????TT dttUttR00 11?2） 時，即兩個碼序列錯開一個碼元。如果假定周期 ，其中 7ut???? ut5碼元乘積波形為+1,8 碼元乘積波形為1，因而在一個周期 上，積分??T,0 (23)??10??????dtUtT?由此，自相關函數(shù) (24)????TdttTtR110????????第二章 GPS 和 RTK 的相關理論7上述結論，對于任意 均成立。ut????3） 時，也就是兩個碼序列錯開不足一個碼元時，若已假定 ，ut???? utT15?那么自相關函數(shù)在 分別等于碼元寬度的 1/2/3/4/5 時的值由表t11 給出。當 時，有 。由于兩個碼序列的結構相同，因u??1/?tRT此自相關函數(shù)顯然具有對稱性。圖 11 就是根據(jù)上面討論的結果繪制的自相關函數(shù)圖像。1/T??tR+10ut?ut?圖 21 自相關函數(shù)圖像表 21 時自相關函數(shù) 的值ut??????tR???t0 1/5 2/5 3/5 4/5 1??R1 59/75 43/75 27/75 11/75 5/75當衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號經(jīng)過 秒傳播時間后到達接收機時,接收機立刻產(chǎn)生出t?一個結構完全相同的復制碼序列,并在時延器的控制下不斷調(diào)整 ,直到 為???1?tR,即有 ,信號傳播時間 一旦測定,只要乘以光速 ,