CN1928586B - 基于rtk-gps技术的海拔高测量设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海拔高的测量方法和设备，具体来说是一种利用RTK-GPS在测量领域的应用技术精确测量海拔高的方法和设备，适合于地球表面、特别是中国地区表面目标的精确海拔高测量。本发明针对现有RTK-GPS技术在测量方面存在的不足、综合成本高和对测量正常高的迫切需求，引入重力物理场，并结合本发明的测量设备，测量设备包括基准站，移动站等，移动站还包括采用高精度GPS OEM主板，抗多径专用天线，高频无线电台和电源组合成一个袖珍移动站单元；再通过测量设备测量、计算，不仅能高精度地给出观测点的经度、纬度和高程，还可以给出海拔高和精确的海拔高差，其功能强大，测量精度高、速度快，操作简单易学，成熟度较高，风险较小。

Description

基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种海拔高的测量方法和设备，具体来说是一种利用RTK-GPS在测量领域的应用技术精确测量海拔高的方法和设备。适合于地球表面、特别是中国地区表面目标的精确海拔高测量。

背景技术

GPS(全球定位***)是美国建立的一套卫星导航定位***。其提供的GPS信标已成为全球共享的资源，在导航、测量等领域发挥了巨大的作用。采用两台或多台GPS接收机进行同步测量，可以精确地得到两台或多台GPS天线间的相对坐标，这种方法称为差分GPS测量。如果GPS接收机利用载波相位动态实时差分(RTK)方法，不仅可以快速给出待测参数，而且可达到厘米级甚至毫米级别测量精度。虽然上述采用RTK-GPS定位技术可精确确定出空间点的三维位置，但令人遗憾的是，其所确定出的高程是相对于特定参考椭球的，即所谓的大地高，而不是在实际应用中被广泛采用的与地球重力位密切相关的海拔高。

发明内容

针对现有RTK-GPS技术在测量方面存在的不足、综合成本高和对测量正常高的迫切需求，本发明提供一种基于RTK-GPS技术的海拔高测量方法，它不仅能高精度地给出观测点的经度、纬度和高程，而且还可以给出海拔高和精确的海拔高差。

本发明还提供一种基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备及其测量方法，其特殊之处在于：

基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备包括基准站和移动站，

基准站为一GPS接收机，在利用载波相位动态实时差分方法(RTK)作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站；

移动站为一GPS接收机，移动站包括采用高精度GPS OEM主板，抗多径专用天线，高频无线电台和电源组合成一个袖珍移动站单元；移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在***内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级海拔定位结果。

上述的基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备的测量方法，其步骤如下：

第一步：模型建立

先利用RTK-GPS测量高精度的获得待求点的三维空间位置，用测得的三维大地位置与高精度地球引力位模型，计算该点的重力位，进而不用水准测量仅采用计算方法获得地球位基数，从而确定待求点的正常高，即确定正常高用GPS测量结合地球引力位模型计算实现，无需用传统的几何水准测量，故称之为GPS重力位水准；

第二步：建立基准站

在锁定卫星5颗以上时，即可进入设置，启动基准站；

第三步：建立移动站

在锁定与基准站相同卫星和获取其误差值后，解算出待测点精确的经度、纬度和大地高；

第四步：验潮站重力位的计算

对于任一GPS/水准点i，可以写出位差方程

$\mathrm{\Δ}{W}_i={(W_T-W_0)}_i={\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_i{H}_i+W_i-W_0$

式中W_T为过验潮站T水尺零点的水准面的位，W₀为大地水准面的位(假定已知)；H为点i的正常高，为点i相应的平均正常重力，W为点i的重力位。既然有n个GPS/水准点，便有n个这样的‘观测’位差；假设各个位差有等方差，则重力位差ΔW的最或然值即为各位差的算术平均值，即

$\mathrm{\Δ}\hat{W}={\hat{W}}_T-W_0$

$=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ\Δ}{W}_i$

$=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}({\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_i{H}_i+W_i-W_0)$

通过验潮站的水淮面为高程基准面，W_T即为高程基准面的位。世界上局部高程基准面与大地水准面的高度偏差通常小于1m；当W_T不能精确求定时，可代之以大地水准面的位W₀，此时大地水准面即为高程基准面；W_T可以利用我国GPS水准点资料事先计算出来；

第五步：地球位基数的计算

一点的重力位W，是地球引力位V和地球旋转所致的离心力位Φ之和，即

W＝V+Φ

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2(x^2+y^2)$

C＝W_T-W_P

第六步：平均正常重力的计算

参考椭球面和似地形面之间的平均正常重力按式计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\γ}}_0[1-\frac{1}{a}(1+f+m-2f{\sin }^{2}B)H_N+\frac{1}{a^2}{H}_N^2]$

通过上式计算平均正常重力要用到H_N，这通过H和循环迭代计算；

第七步：显示、输出数据

通过上述过程，得出待测点精确的经度、纬度和海拔高，将其显示在输出设备上并标识存储，供进一步使用。

本发明相对于现有技术，不仅能高精度地给出观测点的经度、纬度和高程，而且根据先进算法与数据库软件处理，还可以给出海拔高和精确的海拔高差，其功能强大，测量精度高、速度快，操作简单易学，成熟度较高，风险较小。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明测量方法的流程图。

具体实施方式

常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK-GPS是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分(Real-time kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。

本发明采用了载波相位观测值，由基准站和移动站组成。RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站。移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在***内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。移动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则移动站可随时给出厘米级定位结果。

本发明基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备包括基准站和移动站，基准站为一GPS接收机，在利用载波相位动态实时差分方法(RTK)作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站；移动站为一GPS接收机，移动站包括采用高精度GPS OEM主板，抗多径专用天线，高频无线电台和电源组合成一个袖珍移动站单元；移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在***内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果。

本发明海拔高测量设备的一些主要技术参数：

通道：            独立24通道

跟踪信号：        L1/L2

静态平面精度：    5mm+1ppm

静态高程精度：    1cm+1ppm

静态作用距离：    优于50公里

静态内存：        内置32M

RTK平面精度：     2cm+1ppm

RTK高程精度：     3cm+1ppm

通讯方式：        USB、串口

数据链：          25W/10W(发射功率)

RTK初始化时间：   典型12秒

参见图1，图1是本发明的原理框图；

在测绘工作中，通常将大地高作为地面点的第三维坐标。为了便于比较任意两点的高度差异，还需要确定一个高程的起算点或基准面(我国采用1985年黄海平均海水面作为我国统一的高程基准面)。高程总是相对某一起算面来度量的，大地水准面既是一个几何面，又是一个物理面，更重要的是大地水准面是静止的海水面，因此，在测绘工作中选择大地水准面作为高程起算面，这种高程度量***称为海拔高程***；在大地测量中又称正高***。目前，我国的法定高程***就是正高***。

严格的海拔高程(简称海拔高)，是地面点沿重力线到大地水准面的距离。当大地水准面在陆地下面，这段距离实际上是不能直接测定的。假设从海平面(可认为是大地水准面，其高程为零)起测，用水准测量的方法测到陆上某待定高程点，那么利用位差等于常数的原理：

水准路线每小段高差×该高差段的重力值的结果(位差)＝待测点严格海拔高程×它沿重力线到大地水准面上的重力平均值

因此，严格的海拔高＝沿水准路线测得的位差÷该重力平均值。虽然海拔高可以通过水准和重力测量得到，但是这些方法的作业成本非常高，而作业效率又相对较低。

采用GPS空间定位技术，可以同时确定出点的三维位置，但令人遗憾的是，所确定出的高程是相对于特定参考椭球的，即所谓的大地高，而不是在实际应用中广泛采用的与地球重力位密切相关的海拔高。但如果能够设法获得相应点上的大地水准面差距或高程异常，就可以进行相应高程***的转换，将大地高转换为海拔高。

本发明它不仅能高精度地给出观测点的经度、纬度和高程，引入重力物理场，并结合本发明的测量设备，还可以给出海拔高和精确的海拔高差，这是其它GPS测量***中所没有的。

大地水准面差距模型是一个代表物理场形状的数学面，由有限阶次的球谐多项式构成，具有如下形式：

$N=\frac{{\mathrm{GM}}^n}{R_{\mathrm{\γ}}}\underset{n=2}{\overset{\max }{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{a_e}{R}\right)}^n{P}_{\mathrm{nm}}\left(\sin \mathrm{\Φ}\right)[C_{\mathrm{nm}}^{*}\cos \mathrm{m\λ}+S_{\mathrm{nm}}\sin \mathrm{m\λ}]$

式中：φ，λ为计算点的地心纬度和经度；R为计算点的地心半径；γ为椭球上的正常重力；a_e为地球赤道半径；G为万有引力常数；M为地球质量；P_nm为n次m阶伴随Legendre函数；C_nm ^*、S_nm为大地水准面差距所对应的参考椭球重力位的n次m阶球谐系数；N_max为球谐展开式的最高阶次。

大地水准面差距模型的基本数据为球谐重力位系数，所得到的大地水准面差距信息相对于地心椭球，模型精度取决于用做边界条件的重力观测值覆盖面积和精度、卫星跟踪数据数量和质量、大地水准面平滑性以及模型最高阶次等因素，旧的***针对一般用途的大地水准面差距模型的绝对精度低于1米。而本发明提出的物理场模型，结合地面重力数据、GPS测量成果和精密水准资料所建立的区域性水准面精度已达到2-3个厘米误差精度。

参见图2，图2是本发明测量方法的流程图；

RTK测量技术时下风靡全球，主要原因是RTK测量技术其测量模式和测量速度、精度比以往的测量方式有了很大的变革；效率成倍提高，是测量技术发展的重大里程碑，它的出现为高效率工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了野外工作作业效率。例如从前由数百名测绘人员采用传统测量方法一年的工作任务由采用RTK-GPS技术的十几名工作人员一个月内就可完成。因此吸引了众多的企业研发并形成了产品。

目前RTK测量技术已经成熟，其发展主要方向是提高测量速度与精度。测量速度主要由初始化所需时间决定，初始化所需时间又由RTK技术差别(各种机型有不同的快速解算技术)、接收卫星的数量和质量、RTK数据链传输质量等因素决定，快速解算技术越先进，在一定的高度角下接收到的卫星数量越多、质量越好，RTK数据链传输质量越高，初始化所需时间就越短。在良好的环境条件下，RTK初始化所需时间一般为几十秒；不良环境条件下(尚满足RTK基本工作条件)，技术先进的RTK也需要几分钟到十几分钟，其它机型RTK需要几十分钟甚至不能测量。如美国ASHTECH生产的Z-X双频RTK在良好的环境条件下，初始化所需时间为2-10秒，在不良环境条件下，仍能较顺利地进行RTK测量，主要是这种机型拥有先进的Z-跟踪专利技术、快速RTK(INSTANT-RTK)技术和多路径消减专利技术，试验表明，即使测区内有一部分地方环境恶劣，其观测值点位中误差仍在±2.41cm以下。国产某公司的产品初始化时间约为60秒，一般为45秒，而最新的灵锐S80的初始化为15秒左右，所以对于采用RTK技术测量而言，国产和进口的仪器差别并不是很明显。

此外RTK测量产品的精度上还不及全站仪，这是由于RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。不同质量的RTK***，其精度差别较大。要解决此类问题，首先要选用精度和稳定性都较好的高质量机种，然后，要在布控制点时多布置一些“多余”控制点，作为RTK测量成果质量控制的检核点。

还有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很多地区，尤其是山区、丘陵和盆地地区，存在较大误差，而我国由于自然地理条件原因，从南到北横跨数千公里，而且多山区、丘陵和盆地；这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得相当困难，精度也不均匀。

本***选用国际知名的高品质、高精度具有RTK功能的诺瓦泰公司生产的GPS OEM主板，抗多径专用天线，快速精确的算法，专业高效的大功率高频数据链，整合而成的精密测量***。

具体步骤测量如下：

一种基于RTK-GPS技术的海拔高测量方法，是通过以下步骤实现的：

第一步：原理说明和模型提出

由测高理论的基本方程

dw＝-gdH

可知，如果观测了邻近两点间的高差dH，又测定了点上的重力加速度g，即可得到两点间的重力位差dW。将(1)式沿作为高程起算点的验潮站T至一地面点P的水准路线积分，我们有

$C=W_T-W_P=\underset{T}{\overset{P}{\∫}}\mathrm{gdH}$

式中W_T表示过验潮站T的水准面之重力位，W_P表示过地面点P的水准面之重力位。重力位差C＝W_T-W_P称为地球位基数。知道地球基数C，便可以定义各种高程。正常高定义为：

$H_N=\frac{C}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}$

式中

表示正常椭球面和似地形面之间的正常重力平均值。

上三式为传统几何水准测量的基础。几何水准测量的实质是通过观测水准路线上邻近点间高差和点重力加速度获得待求高度点的位基数。

本发明提出先利用RTK-GPS测量高精度的获得待求点的三维空间位置，用测得的三维大地位置与高精度地球引力位模型，计算该点的重力位，进而不用水准测量仅采用计算方法获得地球位基数，从而确定待求点的正常高。即确定正常高用GPS测量结合地球引力位模型计算实现，无需用传统的几何水准测量，故称之为GPS重力位水准。

第二步：建立基准站

智能、可靠的基准站可以用人性化傻瓜式操作来诠释，***操作简单方便。基站的高频数据链拥有专业、核心的RTK数传电台技术，为全天侯的测量作业提供了保障。

在锁定卫星5颗以上时，即可进入设置，启动基准站。

第三步：建立移动站

移动站把高精度GPS OEM主板，抗多径专用天线，高频无线电台和电源组合成一个袖珍移动站单元。

在锁定与基准站相同卫星和获取其误差值后，解算出待测点精确的经度、纬度和大地高。

第四步：验潮站重力位的计算

对于任一GPS/水准点i，我们可以写出位差方程

$\mathrm{\Δ}{W}_i={(W_T-W_0)}_i={\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_i{H}_i+W_i-W_0$

式中W_T为过验潮站T水尺零点的水准面的位，W₀为大地水准面的位(假定已知)；H为点i的正常高，为点i相应的平均正常重力，W为点i的重力位。既然我们有n个GPS/水准点，便有n个这样的‘观测’位差。假设各个位差有等方差，则重力位差ΔW的最或然值即为各位差的算术平均值，即

$\mathrm{\Δ}\hat{W}={\hat{W}}_T-W_0$

$=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ\Δ}{W}_i$

$=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}({\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_i{H}_i+W_i-W_0)$

通过验潮站的水淮面为我们的高程基准面，W_T即为高程基准面的位。世界上局部高程基准面与大地水准面的高度偏差通常小于1m。当W_T不能精确求定时，可代之以大地水准面的位W₀，此时大地水准面即为我们的高程基准面。W_T可以利用我国GPS水准点资料事先计算出来。

第五步：地球位基数的计算

一点的重力位W，是地球引力位V和地球旋转所致的离心力位Φ之和，即

W＝V+Φ

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2(x^2+y^2)$

C＝W_T-W_P

第六步：平均正常重力的计算

参考椭球面和似地形面之间的平均正常重力按式计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\γ}}_0[1-\frac{1}{a}(1+f+m-2f{\sin }^{2}B)H_N+\frac{1}{a^2}{H}_N^2]$

通过上式计算平均正常重力

要用到H_N，这通过H和

循环迭代计算。

第七步：显示、输出数据

通过上述过程，得出待测点精确的经度、纬度和海拔高。将其显示在输出设备上并标识存储，供进一步使用。

本发明用途广泛，可用于下述领域：

1、各种控制测量：传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何，采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用本发明进行控制测量，能够实时知道定位精度和海拔高，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率；测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成；从前由数百名测绘人员采用传统测量方法一年的工作任务由采用RTK-GPS技术的十几名工作人员一个月内就可完成。

因此把本发明用于公路控制测量、电子控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且极大地提高了测量的工作效率。

2、地形测图：过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用本发明，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手持机就可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口可以输出所要求的地形图，这样用高精度RTK-GPS多维实时测量***，仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用高精度RTK-GPS多维实时测量***，配合电子手持机可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等。

3、放样程放样：是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样，如果采用高精度RTK-GPS多维实时测量***技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作。

Claims (2)

1.一种基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备，其特征在于：

基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备包括基准站和移动站，

基准站为一GPS接收机，在利用载波相位动态实时差分方法(RTK)作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站；

移动站为一GPS接收机，移动站包括采用高精度GPS OEM主板，抗多径专用天线，高频无线电台和电源组合成一个袖珍移动站单元；移动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在***内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级海拔定位结果。

2.根据权利要求1所述的基于RTK-GPS技术的海拔高测量设备的测量方法，其步骤如下：

第一步：模型建立

先利用RTK-GPS测量高精度的获得待求点的三维空间位置，用测得的三维大地位置与高精度地球引力位模型，计算该点的重力位，进而不用水准测量仅采用计算方法获得地球位基数，从而确定待求点的正常高，即确定正常高用GPS测量结合地球引力位模型计算实现，无需用传统的几何水准测量，故称之为GPS重力位水准；

第二步：建立基准站

在锁定卫星5颗以上时，即可进入设置，启动基准站；

第三步：建立移动站

在锁定与基准站相同卫星和获取其误差值后，解算出待测点精确的经度、纬度和大地高；

第四步：验潮站重力位的计算

对于任一GPS/水准点i，可以写出位差方程

ΔW_i＝(W_T-W₀)_i＝γ_iH_i+W_i-W₀

式中W_T为过验潮站T水尺零点的水准面的位，W₀为大地水准面的位；H为点i的正常高，γ为点i相应的平均正常重力，W为点i的重力位；既然有n个GPS/水准点，便有n个这样的‘观测’位差；假设各个位差有等方差，则重力位差ΔW的最或然值即为各位差的算术平均值，即

$\mathrm{\Δ}\hat{W}={\hat{W}}_T-W_0$

$=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ\Δ}{W}_i$

$=\frac{1}{n}\mathrm{\Σ}({\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_i{H}_i+W_i-W_0)$

通过验潮站的水淮面为高程基准面，W_T即为高程基准面的位；世界上局部高程基准面与大地水准面的高度偏差通常小于1m；当W_T不能精确求定时，代之以大地水准面的位W₀，此时大地水准面即为高程基准面；W_T利用我国GPS水准点资料事先计算出来；

第五步：地球位基数的计算

一点的重力位W，是地球引力位V和地球旋转所致的离心力位Φ之和，即

W＝V+Φ

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^2(x^2+y^2)$

C＝W_T-W_P

第六步：平均正常重力的计算

参考椭球面和似地形面之间的平均正常重力γ按式计算：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}={\mathrm{\γ}}_0[1-\frac{1}{a}(1+f+m-2f{\sin }^{2}B)H_N+\frac{1}{a^2}{H}_N^2]$

通过上式计算平均正常重力γ要用到H_N，这通过H和γ循环迭代计算；

第七步：显示、输出数据

通过上述过程，得出待测点精确的经度、纬度和海拔高，将其显示在输出设备上并标识存储，供进一步使用。

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