GPS-RTK土地測(cè)量技術(shù)優(yōu)化與測(cè)量方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

賈娜

摘 要：傳統(tǒng)的土地測(cè)量方法往往受到地理環(huán)境、復(fù)雜地形和測(cè)量精度等問題的限制，因此需要引進(jìn)更加先進(jìn)和高效的測(cè)量技術(shù)。為了提高土地測(cè)量能力，引入土地測(cè)量工作中的GPS-RTK測(cè)量技術(shù)，通過多方技術(shù)改進(jìn)以提高土地測(cè)量工作的效率和精準(zhǔn)度。采用GPS-RTK技術(shù)，通過基準(zhǔn)站、移動(dòng)站和全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星之間收發(fā)信號(hào)，可以在移動(dòng)站實(shí)時(shí)計(jì)算出三者之間的距離，提高土地測(cè)量工作的便捷性。在信號(hào)處理方面，采用了聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，提高了土地測(cè)量工作的信號(hào)傳播效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的土地測(cè)量工作方案的測(cè)繪性能有顯著提高。

關(guān)鍵詞：GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)；土地測(cè)量；聯(lián)邦卡爾曼濾波算法； GPS-RTK技術(shù)；信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：TP391；P221

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0165-04

Optimization of GPS-RTK land surveying technology and innovative design of surveying schemes

JIA Na

（Shaanxi Land Construction of Hotel Management Group Co.，Ltd.，Xian 710075，China）

Abstract：Traditional land surveying methods are often limited by geographical environment，complex terrain，and measurement accuracy，so more advanced and efficient surveying technologies need to be introduced.In order to improve the ability of land surveying，the GPS-RTK surveying technology in land surveying work was introduced，and the efficiency and accuracy of land surveying work were improved through multi technical improvement.Using GPS-RTK technology，the distance between reference station，mobile station and GPS satellite could be calculated in real time by sending and receiving signals between the mobile station，and the convenience of land survey could be improved.In the aspect of signal processing，the federal Kalman filter algorithm was used to improve the signal propagation efficiency of land survey.The experimental results indicated that the surveying and mapping performance of the land survey work plan designed in this study had been significantly improved.

Key words：GPRS communication network;land surveying;federated kalman filtering algorithm;GPS-RTK technology;signal processing

土地測(cè)量作為土地資源管理的基礎(chǔ)，對(duì)于土地規(guī)劃、土地交易、土地權(quán)屬認(rèn)定以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域具有不可替代的作用［1］。傳統(tǒng)的土地測(cè)量方法往往受到地理環(huán)境、復(fù)雜地形和測(cè)量精度等問題的限制，因此需要引進(jìn)更加先進(jìn)和高效的測(cè)量技術(shù)。

如設(shè)計(jì)了基于激光雷達(dá)測(cè)繪的土地實(shí)時(shí)測(cè)量方法，通過激光脈沖測(cè)距方法獲得土地的距離數(shù)據(jù)［2］。采用基于Mask R-CNN的遙感土地圖像提取技術(shù)來進(jìn)行土地測(cè)量，通過上述算法對(duì)遙感圖像進(jìn)行去霧、分割和輪廓獲取等操作，可以完成高精度和低誤差的土地測(cè)量工作［3］。但難以應(yīng)對(duì)實(shí)際測(cè)量過程中各種儀器、信號(hào)或天氣對(duì)測(cè)量圖像造成的誤差，導(dǎo)致最終實(shí)際土地測(cè)量精度反而不高［4］。

針對(duì)上述問題，通過多方技術(shù)改進(jìn)以提高土地測(cè)量工作的效率和精準(zhǔn)度。

1 GPS-RTK技術(shù)優(yōu)化

GPS-RTK技術(shù)可以在土地測(cè)量工作中進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)算，并能夠得到高精度的測(cè)量結(jié)果［5］，具體GPS-RTK技術(shù)原理圖如圖1所示。

由圖1可知，GPS-RTK技術(shù)在土地測(cè)量工作中主要由3部分組成，即基準(zhǔn)站、移動(dòng)站和以全球定位系統(tǒng)（GPS）衛(wèi)星為核心的通訊系統(tǒng)。GPS-RTK技術(shù)采用了基于載波相位差分的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，在土地測(cè)量工作中，GPS-RTK技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算出移動(dòng)站的三維坐標(biāo)以及定位的精度和誤差范圍，可以有效地提高土地測(cè)量工作的效率。

在實(shí)際工作中，基準(zhǔn)站周圍需沒有大面積的水域和高度角小于15°的障礙物，避免對(duì)定位造成干擾。GPS-RTK技術(shù)是GPS測(cè)量技術(shù)的新突破，在土地測(cè)量工作中用途廣泛，可以通過延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間來保證土地測(cè)量定位數(shù)據(jù)的可靠性。

2 基于GPS-RTK的土地測(cè)量方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

研究利用GPS-RTK技術(shù)設(shè)計(jì)了土地測(cè)量方案［6］。具體的土地測(cè)量方案如圖2所示。

由圖2可知，設(shè)計(jì)的土地測(cè)量方案主要應(yīng)用了通用無線分組業(yè)務(wù)（GPRS）通訊網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)邦卡爾曼濾波算法以及GPS-RTK測(cè)量技術(shù)。

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)主要由移動(dòng)終端和基準(zhǔn)站組成，移動(dòng)終端即測(cè)量人員手持測(cè)畝儀，基準(zhǔn)站則選用一個(gè)已知坐標(biāo)的開闊地點(diǎn)作為信號(hào)收發(fā)的主要平臺(tái)。聯(lián)邦卡爾曼濾波算法則負(fù)責(zé)對(duì)上面粗略的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波工作［7］。通用分組無線服務(wù)業(yè)務(wù)（GPRS）通訊網(wǎng)絡(luò)由基站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)、用戶移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)等數(shù)個(gè)部分組成，各基站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用的GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)，可以保證土地測(cè)量過程中傳輸信號(hào)的快速、便捷和穩(wěn)定性。

3 基于GSM無線網(wǎng)絡(luò)的GPRS通信

方案中各部件的通信采用基于GMS無線網(wǎng)絡(luò)的GPRS通訊方式。在設(shè)計(jì)的土地測(cè)量方案中，用戶使用移動(dòng)終端充當(dāng)GPS-RTK技術(shù)的移動(dòng)站，可以達(dá)到快速、便捷的無線信號(hào)傳輸，滿足土地測(cè)量靈活的要求，具體GPRS通信方式如圖3所示。

由圖3可知，GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)功能部分組成，通過使用現(xiàn)成的GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，省去了搭建網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用。

GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)的起始端往往是由MCU微控制器和通信串口組成，MCU微控制器通過RS232串口向GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送AT指令，在得到GPRS網(wǎng)絡(luò)的反饋信息后，完成對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試和初始化設(shè)置。

當(dāng)MCU微控制器完成撥號(hào)操作，基站子系統(tǒng)作為GPRS網(wǎng)絡(luò)的中繼，通過無線信道連接網(wǎng)絡(luò)匯總其他的基站子系統(tǒng)。在基站子系統(tǒng)內(nèi)部，由BTS基站收信臺(tái)、XCDR變碼器、BSC基站控制器和無線維護(hù)中心構(gòu)成。無線維護(hù)中心負(fù)責(zé)對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行配置管理和故障管理等操作。BTS基站收信臺(tái)將信號(hào)發(fā)送到XCDR變碼器，并通過壓縮編碼完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的靜態(tài)交換，最后將數(shù)據(jù)傳到BSC基站控制器，完成對(duì)基站的控制和其他信道的動(dòng)態(tài)連接。

PCU分組控制單元主要完成不同功能和接口之間轉(zhuǎn)換，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，完成對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤檢測(cè)和自動(dòng)重發(fā)功能，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組SC移動(dòng)控制中心。MSC移動(dòng)控制中心直接通過GMSC移動(dòng)網(wǎng)關(guān)、PSTN公共電話交換網(wǎng)、ISDC綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)和PDN公共數(shù)據(jù)網(wǎng)等固定網(wǎng)絡(luò)的接口功能，將不同網(wǎng)絡(luò)用戶之間通過固定網(wǎng)互相連接起來，組成GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)的主體［8］。

4 聯(lián)邦卡爾曼濾波算法

設(shè)計(jì)的基于GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的土地測(cè)量方案采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法作為基本的狀態(tài)估計(jì)方法，通過應(yīng)用全局估計(jì)量與不同步觀測(cè)量的共同時(shí)間更新，達(dá)到整個(gè)土地測(cè)量過程中同步觀測(cè)信息的效果，具體聯(lián)邦卡爾曼濾波算法流程圖如圖4所示。

假設(shè)土地測(cè)量過程中采用1個(gè)基準(zhǔn)站和2個(gè)移動(dòng)站，設(shè)2個(gè)移動(dòng)站的狀態(tài)估計(jì)為X^1和X^2，則移動(dòng)站的全局最優(yōu)狀態(tài)為式（1）［9］。

X^g=W1X^1+W2X^2

（1）

式中：X^g為全局最優(yōu)狀態(tài)；W1和W2為2個(gè)移動(dòng)站對(duì)應(yīng)的加權(quán)矩陣的最小方差。

由于全局最優(yōu)估計(jì)為局部估計(jì)的線性組合［10］，則可以得出全局最優(yōu)估計(jì)的式（2）。

X^g=X^1+W2（X^2－X^1）

（2）

由式（2）可知，全局最優(yōu)表示也可由估計(jì)方差進(jìn)行計(jì)算，則根據(jù)X^g的值，可以計(jì)算出移動(dòng)站的條件最小方差為P^g，具體公式見式（3）。

P^g=（I－W2）P^11（I－W2）T+

2（I－W2）P^12WT2

+W2P^22WT2

（3）

式中：P^11和P^22均為移動(dòng)站協(xié)方差矩陣中的計(jì)算因子；由于各移動(dòng)站局部估計(jì)互不相關(guān)，則可以得出P^12和P^21的具體關(guān)系，見式（4）。

P^12=P^21=EX－X^1X－X^2T

（4）

由式（4）可知，通常移動(dòng)站之間是估計(jì)值相關(guān)的，通過采用P^12和P^12之間方差上界，對(duì)提取最優(yōu)估計(jì)的濾波過程進(jìn)行改造，使得其在局部估計(jì)上不相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波的目的［11-12］。當(dāng)二者局部估計(jì)不相關(guān)，即X^1和X^2不相關(guān)，可以得到最終濾波后的全局最優(yōu)估計(jì)和最小方差估計(jì)，分別為式（5）和式（6）。

X^g=（P－111+P－122）（P－111X^1+P－122X^2）

（5）

X^g=（P－111+P－122）（P－111X^1+P－122X^2）

（6）

由式（5）和式（6）可知，通過聯(lián)邦卡爾曼濾波后，可以計(jì)算出1個(gè)基準(zhǔn)站和2個(gè)移動(dòng)站模型下的全局最優(yōu)估計(jì)X^g和最小方差估計(jì)P^g。將計(jì)算公式推廣到N個(gè)移動(dòng)站的情況，則在線性離散系統(tǒng)中，1個(gè)基準(zhǔn)站和N個(gè)移動(dòng)站所得到的公式如式（7）和式（8）所示。

X^g=P^g∑Ni=1P^－1iiX^i

（7）

P^g=（∑Ni=1P^－1ii）－1

（8）

由式（7）和式（8）可知，可以求出廣域測(cè)量系統(tǒng)中濾波后的全局最優(yōu)估計(jì)和最小方差估計(jì)。在土地測(cè)量工作中的聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，提高了信號(hào)傳播過程中的精準(zhǔn)性；而無重置的移動(dòng)站可以通過不同子濾波器之間的獨(dú)立，提高土地測(cè)量方案測(cè)量過程中的容錯(cuò)性。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)采用CPU主頻為3.4 GHz，內(nèi)存為16 GB，操作系統(tǒng)為Windows 10，仿真環(huán)境為Simulink，虛擬機(jī)為Vmware。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)土地進(jìn)行多次建模，實(shí)現(xiàn)土地的3D可視化。

試驗(yàn)中，首先勘定本研究設(shè)計(jì)方案在工作時(shí)的GPS信號(hào)強(qiáng)弱和穩(wěn)定性［13-14］。采用的GPS-RTK技術(shù)基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分的原理，已知GPS信號(hào)由3部分組成，即載波、偽隨機(jī)碼（C/A碼）和數(shù)據(jù)碼，載波是GPS信號(hào)的基礎(chǔ)，C/A碼和數(shù)據(jù)碼均調(diào)制在載波上發(fā)送，C/A碼負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)碼分多址和測(cè)距［15］，由3種GPS信號(hào)，可以列出GPS導(dǎo)航的GPS信號(hào)模型，如式（9）所示。

式中：C為GPS信號(hào)的功率；R為取實(shí)部操作；ck為C/A碼序列；g（t）為C/A碼波形；τ為信號(hào)傳播過程中的時(shí)間延遲；f0為變頻后的載波頻率；θ為載波相位；n（t）為高斯白噪聲。

在得到GPS信號(hào)模型后，在仿真環(huán)境中啟動(dòng)GPS信號(hào)仿真器，分別輸入5種常用的GPS碼片波形，并加入相同的帶通濾波器，將帶寬設(shè)置為24 MHz，保證不同C/A碼波形下的信號(hào)具有相同的信號(hào)帶寬。設(shè)置載噪比由25 dB上升到50 dB，探究最小碼跟蹤誤差的GPS碼片波形［16］，具體誤差大小結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，本研究在土地測(cè)量過程中選擇最小碼跟蹤誤差較小的LOC碼片波形，該波形在GPS-RTK技術(shù)中，可以面對(duì)復(fù)雜地形和大量干擾的土地測(cè)量工作。確定了GPS的碼片波形，在土地測(cè)量仿真系統(tǒng)中分置15塊光滑的土地，測(cè)得速度后，再分別設(shè)置15組土地復(fù)雜度逐步上升的土地，并記錄測(cè)量不同復(fù)雜度土地時(shí)的土地測(cè)量準(zhǔn)度，具體記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

現(xiàn)將本方案、文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)土地測(cè)繪方案以及文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)的Mask R-CNN遙感土地測(cè)量方案進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別在土地復(fù)雜度為5%的平原、土地復(fù)雜度為30%的丘陵以及土地復(fù)雜度為60%的山地地形中，設(shè)置3個(gè)方案的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，確保3個(gè)方案土地復(fù)雜度相同的情況下，逐步擴(kuò)大土地測(cè)量大小，記錄3個(gè)方案完成土地測(cè)量的時(shí)間，具體測(cè)量對(duì)比圖如圖6所示。

由圖6可知，所設(shè)計(jì)的方案在土地測(cè)量時(shí)間上，在任意復(fù)雜度的土地上均小于其他2個(gè)方案，表明所設(shè)計(jì)的土地測(cè)量方案工作效率高于其他2個(gè)方案。在土地測(cè)量工作中，還可以有效地面對(duì)不同復(fù)雜度的土地和不同環(huán)境因素的干擾，高效地由GPS信號(hào)定位土地的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

研究采用GPS-RTK測(cè)量技術(shù)，可以高效地完成土地測(cè)量的工作。在通訊方面采用GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)，通過多基站子系統(tǒng)逐步收集GPS信號(hào)，保證GPS信號(hào)在傳輸過程中不失真，且能完成高效的信號(hào)輸送。在數(shù)據(jù)處理方面采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，保證GPS信號(hào)免受環(huán)境、測(cè)量器材的測(cè)量誤差的干擾，所設(shè)計(jì)的土地測(cè)量方案在測(cè)量速度、測(cè)量精度和信號(hào)穩(wěn)定性方面均較其他方案有著較大提高。研究也存在在大規(guī)模的土地測(cè)量工作中難以成系統(tǒng)地運(yùn)用等不足之處，在未來的工作中應(yīng)注重設(shè)計(jì)土地測(cè)量工作的協(xié)同系統(tǒng)。

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收稿日期：2023-10-15；修回日期：2024-02-18

作者簡(jiǎn)介：賈 娜（1977-），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：土地工程、經(jīng)濟(jì)管理;E-mail：niyi784687157799@126.com。

引文格式：賈 娜.

GPS-RTK土地測(cè)量技術(shù)優(yōu)化與測(cè)量方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

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