GPSRTK在电力线路中的应用.docx
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GPSRTK在电力线路中的应用
黄河水利职业技术学院
毕业论文（设计）
GPS-RTK在电力线路中的应用
周伟
（黄河水利职业技术学院，河南开封475003）
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
专业：
系（部）：
黄河水利职业技术学院毕业设计登记表
2012年5月28日
学生姓名
专业
工程测量
班级
设计题目
GPS-RTK在电力线路中得应用
指导教师评语：
（签字）
答辩委员会考评小组评语：
答辩组长：
成绩：
答辩委员会主任：
摘要
摘要:
全球定位系统（GPS），是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航与定位系统，该系统已在输送电线路测量过程中得到应用，该系统结合RTK与CORS等先进技术为输电线路设计测量为线路设计提供基础资料。
先进的性能、便捷的操作、准确的测量结果完全能够达到送电线路施工的要求，提高架空送电线路测量的工作效率在实际测量中收到良好的效果。
关键词：
输送电线路测量；GPS；CORS；RTK
目录
第一章绪论1
1.1GPS前身1
1.2GPS导航系统基本原理2
1.3GPS定位原理3
第二章RTK技术与运用4
2.1RTK综述4
2.2关键技术5
2.3RTK技术优点5
2.4RTK技术如何应用6
2.5RTK技术的推广应用的主要方向7
2.5.1双星系统7
2.5.2VRS7
第三章CORS7
3.1基准站网8
3.2数据传输系统8
3.3数据播发系统8
3.4国内外现状及背景9
3.4.1国外CORS发展概况9
3.4.2国内CORS发展概况9
3.5建立CORS的必要性和意义10
3.5.1CORS的建立可以大大提高测绘精度10
3.5.2CORS的建立10
3.5.3CORS将是城市信息化的重要组成部分11
3.6虚拟参考站技术体系的应用11
第四章吴淞高程14
4.1吴淞高程系统起源14
4.2吴淞高程系统基准点的变迁14
4.2.1张华浜基点的设置14
4.2.2佘山基点的设测15
4.3资用吴淞高程与“七环”平差15
4.4冻结吴淞高程16
4.5吴淞高程黄海高程的转换16
4.6吴淞高程和WGS84高程的转换16
第五章GPS-RTK在架空送电线路测量中的应用22
5.1选择路径方案22
5.2选定线测量22
5.3距离和高差测量23
5.4平面与断面测量及绘制23
5.5杆塔定位26
5.6线路复测26
5.7利用GPS在线路定线定位中的优势27
第六章建议与总结28
参考文献29
致谢29
第一章绪论
GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称。
GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。
20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。
主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
在机械领域GPS则有另外一种含义：
产品几何技术规范（GeometricalProductSpecifications）-简称GPS。
另外一种解释为G/s（GBpers）GPS结合RTK技术运用先进的CORS技术，为日常的工程建设作出巨大的贡献。
1.1GPS前身
GPS系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。
该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。
然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。
由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。
美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。
为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这使GPS系统精确定位的基础。
而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道，该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。
伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。
海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。
由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。
该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。
最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。
每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。
这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。
由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。
然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。
1988年又进行了最后一次修改：
21颗工作星和3颗备用星工作在互成30度的6条轨道上。
这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。
1.2GPS导航系统基本原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。
要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。
而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：
当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。
C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。
而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。
导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。
前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。
后两帧共15000b。
导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。
当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。
对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。
严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。
相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。
相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
1.3GPS定位原理
GPS定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式）
图1-1
主要功能
1.导航 2.测量 3.授时
组成部分
1.空间部分
GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。
卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
2.地面控制系统
地面控制系统由监测站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitorStation）、地面天线（GroundAntenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（ColoradoSpring）。
地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。
3.用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。
其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。
当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。
根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。
GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。
接收机一般采用机内和机外两种直流电源。
设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。
在用机外电源时机内电池自动充电。
关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。
目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。
其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。
GPS术语
1．GPSGeneralizedProcessorSharing通用处理器共享 2．GPSGlobalPositioningSystem全球定位卫星/系统 3．[GPSS]GeneralPurposeSystemsSimulator通用系统模拟器 4．[DGPS]DifferentialGPS差分GPS，差分全球定位系统 5．GPSGeneralPhoneticSymbols捷易读注音符
第二章RTK技术与运用
简介
RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。
它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。
通过RTK技术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。
2.1RTK综述
高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，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流动站。
流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，并在系统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，历时不足一秒钟。
流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，则流动站可随时给出厘米级定位结果。
2.2关键技术
RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。
随着科学技术的不断发展，RTK技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS，有些城市建立起CORS系统，这就大大提高了RTK的测量范围，当然在数据传输方面也有了长足的进展，由原先的电台传输发展到现在的GPRS和GSM网络传输，大大提高了数据的传输效率和范围。
在仪器方面，现在的仪器不仅精度高而且比传统的RTK更简洁、更容易操作！
2.3RTK技术优点
1、RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大。
RTK可胜任各种测绘内、外业。
流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动实现多种测绘功能，使辅助测量工作极大减少，减少人为误差，保证了作业精度。
2、降低了作业条件要求。
RTK技术不要求两点间满足光学通视，只要求满足“电磁波通视”和对天基本通视，因此，和传统测量相比，RTK技术受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，在传统测量看来由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区，只要满足RTK的基本工作条件，它也能轻松地进行快速的高精度定位作业。
3、定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累。
不同于全站仪等仪器，全站仪在多次搬站后，都存在误差累积的状况，搬的越多，累积越大，而RTK则没有，只要满足RTK的基本工作条件，在一定的作业半径范围内，RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。
4、作业效率高。
在一般的地形地势下，高质量的RTK设站一次即可测完10km半径左右的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的“搬站”次数，仅需一人操作，在一般的电磁波环境下几秒钟即得一点坐标，作业速度快，劳动强度低，节省了外业费用，提高了测量效率。
5、操作简便、数据处理能力强。
南方测绘RTK的基准站无需任何设置，移动站就可以边走边获得测量结果坐标或进行坐标放样。
数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。
南方测绘灵锐S82-2008、灵锐S86在基准站架设、移动站操作、手簿软件的使用方面都比较简单易学。
RTK（Real-timekinematic）实时动态差分法。
这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、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。
2.4RTK技术如何应用
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RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，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。
如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、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，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。
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RTK时，仅需一人背着仪器在要测的地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿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RTK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。
2.5RTK技术的推广应用的主要方向
1、双星系统
双星系统（GPS+GLONASS双系统导航定位）是GPSRTK发展的热点，它可接收14-20颗卫星左右，是常规RTK所无法比拟的，该技术使GPS设备具备最短时间达到厘米级精度的能力与最强的抗干扰遮挡能力。
2、VRS
VRS（VirtualReferenceStation虚拟参考站）正在改善着RTK定位的质量和距离，增强RTK的可靠性，并减少OTF初始化的时间。
VRS技术，可以在50Km左右时使RTK定位平面位置精度为1—2cm，并无需设立自己的基准站。
其应用领域将逐渐涵盖陆地测量、地籍测量、航空摄影测量、GIS、设备控制、电子和煤气管道、变形监测、精准农业、水上测量、环境应用等诸多领域。
VRS是天宝提出的网络RTK作业模式，现在世界上90%的网络RTK都是应用VRS。
第三章CORS
图3-1CORS示意图
随着GPS技术的飞速进步和应用普及，它在城市测量中的作用已越来越重要。
当前，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（ContinuousOperationalReferenceSystem，缩写为CORS）已成为城市GPS应用的发展热点之一。
CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。
CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。
3.1基准站网
基准站网由范围内均匀分布的基准站组成。
负责采集GPS卫星观测数据并输送至数据处理中心，同时提供系统完好性监测服务。
数据处理中心系统的控制中心，用于接收各基准站数据，进行数据处理，形成多基准站差分定位用户数据，组成一定格式的数据文件，分发给用户。
数据处理中心是CORS的核心单元，也是高精度实时动态定位得以实现的关键所在。
中心24小时连续不断地根据各基准站所采集的实时观测数据在区域内进行整体建模解算，自动生成一个对应于流动站点位的虚拟参考站（包括基准站坐标和GPS观测值信息）并通过现有的数据通信网络和无线数据播发网，向各类需要测量和导航的用户以国际通用格式提供码相位/载波相位差分修正信息，以便实时解算出流动站的精确点位。
3.2数据传输系统
各基准站数据通过光纤专线传输至监控分析中心，该系统包括数据传输硬件设备及软件控制模块。
3.3数据播发系统
系统通过移动网络、UHF电台、Internet等形式向用户播发定位导航数据。
用户应用系统包括用户信息接收系统、网络型RTK定位系统、事后和快速精密定位系统以及自主式导航系统和监控定位系统等。
按照应用的精度不同，用户服务子系统可以分为毫米级用户系统，厘米级用户系统，分米级用户系统，米级用户系统等；而按照用户的应用不同，可以分为测绘与工程用户（厘米、分米级），车辆导航与定位用户（米级），高精度用户（事后处理）、气象用户等几类。
CORS系统彻底改变了传统RTK测量作业方式，其主要优势体现在：
1）改进了初始化时间、扩大了有效工作的范围；2）采用连续基站，用户随时可以观测，使用方便，提高了工作效率；3）拥有完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性；4）用户不需架设参考站，真正实现单机作业，减少了费用；5）使用固定可靠的数据链通讯方式，减少了噪声干扰；6）提供远程INTERNET服务，实现了数据的共享；7）扩大了GPS在动态领域的应用范围，更有利于车辆、飞机和船舶的精密导航；8）为建设数字化城市提供了新的契机。
CORS系统仅是一个动态的、连续的定位框架基准，同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的重要的城市基础设施，CORS可在城市区域内向大量用户同时提供高精度、高可靠性、实时的定位信息，并实现城市测绘数据的完整统一，这将对现代城市基础地理信息系统的采集与应用体系产生深远的影响。
它不仅可以建立和维持城市测绘的基准框架，更可以全自动、全天候、实时提供高精度空间和时间信息，成为区域规划、管理和决策的基础。
该系统还能提供差分定位信息，开拓交通导航的新应用，并能提供高精度、高时空分辨率、全天候、近实时、连续的可降水汽量变化序列，并由此逐步形成地区灾害性天气监测预报系统。
此外，CORS系统可用于通信系统和
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