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        網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理及其在土地調(diào)查中的應(yīng)用

        2011-11-17 08:32:36陳超超
        中國科技信息 2011年17期
        關(guān)鍵詞:半場籃球場全場

        陳超超

        江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司, 江蘇 南京 210096

        網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理及其在土地調(diào)查中的應(yīng)用

        陳超超

        江蘇華東建設(shè)基礎(chǔ)工程有限公司, 江蘇 南京 210096

        國土資源調(diào)查測量工作需要高精度、高可靠性的測量方式,全站儀因此成為大多數(shù)作業(yè)單位的選擇。但其在作業(yè)過程中需要兩點(diǎn)通視,且不能全天候作業(yè),因而影響了作業(yè)效率。雖然隨著GPS技術(shù)的深入應(yīng)用,單站RTK能夠解決全站儀的大部分缺陷,但傳統(tǒng)的RTK技術(shù)需要用戶假設(shè)基站以及電臺(tái)、且精度隨著距離的增長而降低,使得其在應(yīng)用中受到一定的限制。網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)正是為了解決以上難題而應(yīng)運(yùn)而生。本文詳細(xì)論述網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的組成和工作原理,簡要介紹了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國土資源調(diào)查測量中的應(yīng)用,并利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)與全站儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,得出網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)完全可以應(yīng)用于國土調(diào)查且精度較高的結(jié)論。

        CORS;網(wǎng)絡(luò)RTK;國土調(diào)查

        全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)是在子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(NNSS)基礎(chǔ)上建立起來的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它可以向數(shù)目不限的全球用戶連續(xù)地提供高精度的全天候三維坐標(biāo)、三維速度以及時(shí)間信息,因而廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)、船舶和各種載運(yùn)工具的導(dǎo)航、高精度的大地測量、精密工程測量、地殼形變監(jiān)測、國土資源調(diào)查、??站仍⑺臏y量等技術(shù)領(lǐng)域[1]。

        根據(jù)劉經(jīng)南院士對(duì)GPS定位技術(shù)的分類[2],GPS發(fā)展歷程經(jīng)歷了靜態(tài)測量、RTK動(dòng)態(tài)測量等發(fā)展過程以及到如今的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。為了削弱和消除GPS的各項(xiàng)空間誤差影響,大幅度提高實(shí)時(shí)定位精度,出現(xiàn)了差分GPS定位技術(shù)(DGPS)。隨著數(shù)據(jù)處理和通信技術(shù)的發(fā)展,又出現(xiàn)了載波相位差分(RTK)和實(shí)時(shí)偽距差分(RTD)技術(shù)。隨著GPS定位技術(shù)以及無線通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,它將GPS測量技術(shù)與通訊傳輸技術(shù)完美地結(jié)合在一起,使GPS定位技術(shù)向更深、更廣、更新的進(jìn)一步拓展,是RTK技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

        1.網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)原理

        在一定區(qū)域內(nèi)建立一定數(shù)量(一般為三個(gè)以上)的GPS連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS),構(gòu)成參考站網(wǎng)絡(luò),利用各參考站觀測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,計(jì)算生成差分改正信息,利用無線通訊技術(shù)進(jìn)行播發(fā),同時(shí)移動(dòng)站用戶可隨時(shí)接入系統(tǒng)穩(wěn)定、快速地實(shí)現(xiàn)RTK定位,這樣的一種定位方式就稱為網(wǎng)絡(luò)RTK定位[3]。

        1.1 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)組成

        網(wǎng)絡(luò)RTK(Network RTK)技術(shù)是利用地面布設(shè)的多個(gè)參考站組成連續(xù)運(yùn)營參考站網(wǎng)絡(luò),綜合利用各個(gè)參考站的觀測信息,通過建立精確的誤差模型來修正空間相關(guān)誤差。

        網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)包括三個(gè)部分:連續(xù)運(yùn)行參考站、數(shù)據(jù)處理與控制中心、流動(dòng)用戶。

        (1)連續(xù)運(yùn)行參考站。連續(xù)不斷地觀測GPS原始數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)地將觀測值傳輸至控制中心。

        (2)數(shù)據(jù)處理與控制中心。根據(jù)各個(gè)GPS基準(zhǔn)站的原始觀測值,計(jì)算電離層、對(duì)流層和衛(wèi)星軌道等誤差模型,并通過通訊設(shè)備(GPRS/CDMA)實(shí)時(shí)地將虛擬參考站的相位差分改正數(shù)傳給移動(dòng)用戶。

        (3)流動(dòng)用戶。接收控制中心發(fā)布的相位差分改正數(shù),聯(lián)合自身GPS觀測值得到高精度的實(shí)時(shí)定位值。

        1.2 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)工作原理

        圖1 網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)示意圖

        圖1為網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的示意圖,其定位原理與流程如下:

        (1)各個(gè)參考站進(jìn)行長期觀測,連續(xù)采集數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制中心,控制中心在線解算參考站網(wǎng)內(nèi)各條基線的載波相位整周模糊度值;

        (2)數(shù)據(jù)處理中心建立電離層延遲、對(duì)流層延遲等距離相關(guān)誤差的改正模型;

        (3)移動(dòng)站用戶將單點(diǎn)定位得到的概略坐標(biāo)(NMEA格式)發(fā)送給控制中心,控制中心根據(jù)概略坐標(biāo)即在該位置創(chuàng)建一個(gè)虛擬參考站(VRS);

        (4)控制中心選取主參考站,并根據(jù)主參考站、用戶及GPS衛(wèi)星的相對(duì)幾何關(guān)系,通過內(nèi)插計(jì)算模型得到移動(dòng)站與主參考站間的空間相關(guān)誤差,再根據(jù)虛擬觀測值計(jì)算模型生成VRS處的虛擬觀測值;

        (5)控制中心把虛擬觀測值作為網(wǎng)絡(luò)差分改正信息,按照RTCM標(biāo)準(zhǔn)差分電文格式在NTRIP協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)送給移動(dòng)站用戶;

        (6)用戶移動(dòng)站接收網(wǎng)絡(luò)差分信息,與VRS構(gòu)成短基線,通過常規(guī)RTK計(jì)算模型進(jìn)行差分解算,確定用戶位置。

        2.網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國土資源調(diào)查中的應(yīng)用

        網(wǎng)絡(luò)RTK測量具有高精度、高效率、全天候以及操作簡便等特點(diǎn),隨著GPS接收機(jī)性能的逐步完善以及藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)在接收機(jī)和手簿之間作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒?yīng)用,GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)已經(jīng)成為測量及相關(guān)部門的首選方法。為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國土資源調(diào)查中的可用性,筆者進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。

        2.1 實(shí)驗(yàn)選址

        本次實(shí)驗(yàn)選在某學(xué)校體育場籃球場內(nèi)進(jìn)行,該場地空間較大,利于實(shí)驗(yàn)的開展。同時(shí)籃球場中央視野開闊,遠(yuǎn)離高壓輸電線及無線電發(fā)射源等,測試環(huán)境較好。

        本次實(shí)驗(yàn)主要在籃球場上進(jìn)行,主要是測量籃球場各個(gè)半場、全場的面積,并相互檢核,同時(shí)和全站儀測得的面積進(jìn)行比較,得出網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的精度等指標(biāo)。

        每個(gè)半場中,將長度方向以幾乎等分的方式標(biāo)記五個(gè)點(diǎn),在寬度方向上也以幾乎等分的方式標(biāo)記五個(gè)點(diǎn),分別命名為H01、H02、H03、H04、H05,H06、H07、H08、H09、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H16(從右上角開始逆時(shí)針編號(hào))。

        圖2 半場示意圖

        每個(gè)全場中,將長度方向以幾乎等分的方式標(biāo)記九個(gè)點(diǎn),在寬度方向上也以幾乎等分的方式標(biāo)記五個(gè)點(diǎn),分別命名為F01、F02、F03、F04、F05,F(xiàn)06、F07、F08、F09、F10、F11、F12、F13、F14、F15、F16、F17、F18、F19、F20、F21、F22、F23、F24(從右上角開始逆時(shí)針編號(hào))。

        圖3 全場示意圖

        2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)處理軟件

        本次實(shí)驗(yàn)采用的儀器為南方測繪生產(chǎn)的可接入CORS功能的接收機(jī)。

        2.3 實(shí)驗(yàn)流程與方案

        利用接收機(jī)在體育場對(duì)學(xué)?;@球場的面積進(jìn)行測定,并使用全站儀測出面積作為精確值,對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較,以檢測網(wǎng)絡(luò)RTK測定的精度。具體實(shí)驗(yàn)方案如下:

        1、使用接收機(jī)測定25個(gè)籃球場半場各自的面積,相當(dāng)于測了25個(gè)圖斑,由于每個(gè)半場面積近似相等,因此每個(gè)面積值之間可以相互檢核。

        2、使用接收機(jī)測定25個(gè)籃球場全場各自的面積,相當(dāng)于又測了25個(gè)圖斑,由于每個(gè)全場面積近似相等,因此每個(gè)面積值之間可以相互檢核。

        3、由于每個(gè)籃球場全場與半場之間近似為兩倍的關(guān)系,因此全場與半場之間又可以構(gòu)成檢核關(guān)系。

        這樣測得的各個(gè)面積值可以計(jì)算內(nèi)符合精度與外符合精度,三大檢核關(guān)系保證后續(xù)結(jié)果比較的嚴(yán)密性。

        具體的流程如圖4所示:

        圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

        2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

        將野外測得的數(shù)據(jù)由電子手簿導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中,并將其格式改為CAD默認(rèn)的格式。導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)文件如圖5所示,依次對(duì)于為點(diǎn)號(hào)、Y坐標(biāo)、X坐標(biāo)、Z坐標(biāo):

        圖5 數(shù)據(jù)文件示意圖

        在AutoCAD中導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件,將測得的點(diǎn)連接成封閉區(qū)域,然后點(diǎn)擊“工程應(yīng)用”下的“查詢實(shí)體面積”,即可求出相應(yīng)的面積。求得的各圖斑面積如表1所示

        圖6 半場網(wǎng)絡(luò)RTK所測面積與真值之差的絕對(duì)值

        圖7 全場網(wǎng)絡(luò)RTK所測面積與真值之差的絕對(duì)值

        從圖6可以看出,半場網(wǎng)絡(luò)RTK所測面積與真值之差的絕對(duì)值在0.8平方米左右,最大值為0.85平方米,全場網(wǎng)絡(luò)RTK所測面積與真值之差的絕對(duì)值在1平方米左右,最大值為1.07平方米。

        由國土調(diào)查中RTK定位平面精度限差為5cm,利用誤差傳播公式:

        由此發(fā)現(xiàn)上述測得的面積都在限差范圍之內(nèi),繼而認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)RTK可以用于國土調(diào)查,且精度取得了令人滿意的效果。

        3.結(jié)論

        本文詳細(xì)論述網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的組成和工作原理,簡要介紹了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在國土資源調(diào)查測量中的應(yīng)用,進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)RTK應(yīng)用于國土調(diào)查的實(shí)驗(yàn),首先對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的選址進(jìn)行了闡述,然后對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了介紹,接著制定了實(shí)驗(yàn)的方案及流程,最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,得出結(jié)論:網(wǎng)絡(luò)RTK完全可以應(yīng)用于國土調(diào)查,且精度較高,而且可以全天候作業(yè),作業(yè)效率高;可單人作業(yè),減少人員負(fù)擔(dān),在國土調(diào)查中具有不可限量的前景。

        [1]胡伍生, 高成發(fā). GPS測量原理及其應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社.2002

        [2]黃丁發(fā),熊永良.全球定位系統(tǒng)(GPS)理論與實(shí)踐[M].成都:西南交通大學(xué)出版社.2006.196-216

        [3]柯福陽,王慶,潘樹國,等.GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK算法模型及測試分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2009,(04)

        10.3969/j.issn.1001-8972.2011.17.036

        表1 圖斑面積結(jié)果表(單位:m2)

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