沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）
第二章 GPS-RTK测量相关概念
2.1RTK技术的基本原理
RTK测量技术是经载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术。GPS测量模式可分为静态测量和动态测量，而静态测量又分为常规静态测量模式和快速测量模式。动态测量模式分为准动态测量模式和实时动态测量模式，而实时动态测量模式又分为DGPS和RTK方式。RTK技术与其他测量模式相比，具有定位精度高、测量自动化、集成化程度高、数据处理能力强、操作简单、使用方便的等特点。
RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。通常是利用2台以上的GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知点上作为基准点，另一台用 来未知点坐标，称移动站。基准站根据该点的准确坐标可求出其他卫星的距离改正数，并将这一改正数发送给移动站；移动站根据距离改正数来改正其定位结果，大大提高了定位精度，从而使实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果达到厘米级精度。RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站，改正移动站的接收载波相位，再求解三维坐标；差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站，进行求差解算三维坐标。RTK系统正常工作必须具备三个条件：第一，基准站和移动站同时接收5颗以上的GPS卫星信号；第二，基准站与 移动站同时接收卫星信号和基准站台发出的差分信号；第三，移动站要连续接收GPS卫星信号和基准站发出的差分信号，也就是说移动站在移动过程中不关机，不能失锁，否则 RTK 必须重新初始化。
2.2RTK线路测量的设计与实施
2.2.1方案设计
实际工作中的GPS测量可划分为方案设计、外业实施及内业数据处理三个阶段。 GPS测量的方案设计依据国家有关规范（规程）、GPS网的用途、用户要求等对网形、精度和基准等进行具体设计。
GPS测量规范是指国家测绘管理部门或行业部门制定的技术法规，包括： ⑴2009年国家质量技术监督检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布的《全球定位系统（GPS）测量规范》，简称《规范》。
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⑵1998年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量规程》，简称《规程》。 ⑶各部委根据本部门GPS测量实际情况制定的其他GPS测量规程和细则。
2.2.2外业实施
外业测量开始前，要进行对点的校核，找准控制点（至少三个），即开始进行中线测量工作[2]。
中线测量，测量时选路线前进方向进行变化位置放置流动站，每一个里程为一段分隔距离，由已知控制点，流动站手簿软件即可显示此点距离中桩偏移距离及实际高程，根据显示数据，移动流动站至地形变化点的中桩位置，偏值精度到正负5cm，即可打桩并记录桩号、高程。由此可继续进行下一里程的中线测量，每20公里进行中桩记录，由此可实时测得所有里程全部中桩点的三维坐标。
横断面点测量，在已知中桩的垂直方向上，移动流动站依次至此桩的横断面方向地形变化点处，在距中线左右各20范围内测出中线垂直方向上点的三维坐标，为绘制横断面需求，保持左右方向上的点大致在一个方向上，并根据实际地形的变化走势，在地形复杂的沟、渠、坎、土堆、坑、塘等加密测量特征点,特征点最好高低、上下对应。相对的地势平坦区，只采集必要的主要边界点即可，并在现场绘制草图,以便内业数据处理。
2.3GPS坐标系统及其转换
2.3.1GPS测量常用的坐标系统
⑴WGS-84坐标系：
GPS所采用的坐标系为WGS-84地心坐标系,它是以地球的质心(质量的中心)为原点的地心坐标系,X,Y轴在地球赤道平面内,Z轴与地球自转轴相重合。WGS-84大地坐标系是一个协议地球坐标参考系CTS(Conventional Terrestrial System),其几何定义是:原点位于地球质心,Z轴指向BIH l984.0定义的协议地极CTP(Conventional Terrestrial Pole)方向,X轴指向BIH l984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与X,Z轴正交构成右手坐标系。采用椭球参数为：a=6378137m，f=1/298.257223563。 ⑵BJ-54坐标系：
1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐标系统。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系，该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。该椭球的参数为：a=6378245m，f=1/298.3。我国地形图上的平面坐标位置都是以这个参数为基准推算的。
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⑶1980年西安坐标系：
1980年西安坐标系是我国近年来使用的一种最新的大地测量坐标系，亦是一种参心坐标系统。该坐标系是我国根据自己的实际地理位置建立的坐标系，采用国际第三推荐椭球值。该坐标系的椭球参数为：a=6378140m，f=1/298.257。该参数与我国的地理位置更接近，在不久的将来，该椭球参数将会代替国内其它的椭球参数。 ⑷地方坐标系（任意独立坐标系）：
在我们的测量过程中，时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。
2.3.2空间转换思想和转换模型
在进行空间转换时,当工作区内有足够的已知WGS-84和BJ-54坐标时,首先选择3对高精度的控制点坐标对,这3个点应尽量布设均匀,各边边长应尽量接近,从而构成稳定的图形条件。我们在已知5个坐标对的情况下,选择3个点的坐标对进行七参数测定,然后再进行WGS-84和BJ-54坐标的转换。转换模型,通常采用3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度缩放参数计7个转换参数的布尔沙(Bursa)模型。
在进行WGS-84和BJ-54坐标转换时,一般要经过的流程如下图所示。
图2-1 WGS-84与BJ-54坐标转换流程示意图
该流程可以分为两个步骤:先用3个公共点的坐标对求解七参数,然后将待定点的
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WGS-84坐标利用解出的七参数,求得其转换到BJ-54平面坐标系的坐标。 ⑴七参数的测定：?
将3个已知点的BJ-54平面坐标根据克拉索夫斯基椭球参数进行高斯反算,由公式2-4求出这3个点的空间大地坐标(即经纬度坐标):
B=Bf-[1-(b4-0.12Z2)Z2]Z2b2ρ 2-1 l=[l-(b3-b5Z2)Z2]Zρ 2-2 L=L0+l 2-3
Bf=β+{50221746+[293622+(2350+22cos2β)cos2β]cos2β}×10-10sinβcosβ×ρ 2-4
β=Xρ/6367558.4969 2-5 Z=Y/(Nfcos2β) 2-6
Nf=6399698.902-[21562.267-(108.973-0.312cos2Bf)cos2Bf]cos2Bf 2-7
b2=(0.5+0.003369cos2Bf)sinBfcosBf 2-8 b3=0.333333-(0.166667-0.001123cos2Bf)cos2Bf 2-9 b4=0.25+(0.16161+0.00562cos2Bf)cos2Bf 2-10 b5=0.2-(0.1667-0.0088cos2Bf)cos2Bf 2-11
在该公式中,B表示大地坐标的纬度,L表示大地坐标的经度,L0为中央子午线的经度,X,Y为BJ-54平面坐标,ρ=206264.806。上式的高斯正算公式是由泰勒级数展开式舍去高于6次项的结果,B,L的计算精度可达0.0001s。
⑵根据BJ-54坐标系的椭球体由公式2-12式将空间大地坐标(B,L)T换算成空间直角坐标(X54,Y54,Z54)T。
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2
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该公式中e表示椭球体的第一偏心率,其余各个符号所表示的内容同公式2-4中对应符号所表示的内容一致。
⑶将 GPS测定的3个大地坐标(B84,L84),由WGS-84椭球参数,按公式2-12转换成空间
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