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RTK测量中的几个关键问题
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GPS-RTK在公路纵横断面测量中的应用
GPS-RTK在公路纵横断面测量中的应用
(长江空间公司遥感数字工程院)
摘要:介绍了RTK在公路纵横断面测量中的使用方法,并通过实际工程应用分析对比,确定了此方法的优越性.
关键词:CORS站、参数计算、曲线要素、断面数据格式。
一、&GPS-RTK测绘步骤以及误差处理   
1.1 GPS-RTK测绘步骤
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(Continuous Operational Reference System,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。在我们进行测量之前首先要确认移动GPS已取得CORS基准站的受权(拥有账号和密码)。
当我们连接上CORS站能够获得解算时,我们要注意我们此时获得的坐标系统是CORS基站的坐标系统,要与我们所做工程的系统一致的话,我们不仅要设置坐标系统参数(如:中央子午线、横轴加常数、比例、平均纬度等),还要进行投影转换,这时我们可根据工程要求和已知点情况进行三参数、四参数或七参数改正,将CORS坐标系统转换到我们工程所需坐标系统中来。(切记参数计算时,定要用无任何转换参数所测量的数据与工程坐标系统中的已知数据计算)。笔者在湖北一公路工程中用湖北CORS基站经转换后与工程已知坐标点检查的部分结果见(表一)。其结果充分肯定了CORS基站能满足我们道路测量的平面精度要求。
HBCORS测量四等GPS点与静态三等GPS点校核成果表 (表一)
当然公路的纵横断面测量在高程精度上要求也很严格,我们用GPS-RTK测量在经过参数改正的情况下在5KM范围内,一般精度在&3CM内。笔者在316国道改建项目中,在一些公路连接处用四等水准高程和RTK高程进行了对比,结果如下表二。
&&&&&&&&&&&& 公路连接水准测量&&&& &&&&&&&&&&(表二)
&&&&&& 从上表的结果中,我们不难看出RTK的高程精度能够满足一个四等水准的要求,当然前题条件是做参数计算的已知点离我们测量的外域比较近,上表测量时已知点在1KM范围内。
通常我们进行道路测量时,设计者会给我们提供一个曲线要素表如下(表三)
直线、曲线及转角表
&&&&&&&&&&& &&&&&&&&& &上表为交点法的要素表(一部分),我们利用GPS-RTK测量时,可以方便快捷的把这些要素文件编辑为仪器可读入格式,然后我们可以预览平面、进行里程坐标检查,如下图
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图一
当我们检查各项数据无误后,我们便可以进行道路放样,按照设计数据和纵断面的各项要求放出纵断面中桩并把他测量记录下来。如图二,我们放样是仪器会直接告诉我们偏距和方向,我们测量起来方便快捷。(注意,测量时一定要是固定解)。
在我们进行横断面采集时,我们只需要定义要测断面的里程桩号和断面边距,仪器可显示出横断面线同时显示出我们离横断面线的垂距和纵断面中线的偏距,测量起来非常方便。
1.2 CPS-RTK测绘断面数据处理
采用GPS-RTK测量,我们的设备可以保存最具检查价值的原始坐标数据格式,坐标数据文件,可以直接导入到南方CASS中,方便我们检查纵横断面实测和设计的偏移量,当然还可以根据用户需要,导出各种不同的格式,如纵断面可以导出坐标高程,也可直接导出里程高程,横断面的格式更多,如我们常用的格式:
1 //断面序号
47 //断面里程
-0.015 -0.436 //离中心点距离 高差(左边)
0.013 -0.329 0.034 -0.036 //离中心点距离 高差(右边)
用户也可以根据自己需要的格式,定义各种成果输出法,方便生成断面图所采用的不同程序。
 1.3 CPS-RTK测绘误差的分析处理
(1)仪器本身的误差
因仪器的硬件、软件对GPS信号分辨率的误差和天线相位中心的偏移误差、天线对测量误差、天线高测量误差等仪器本身的因素引起误差,只能通过测绘人员尽量满足最佳测量标准来减少误差。
(2)测绘过程中引起的误差因素
除了仪器本身的误差之外,还有外界因素引起的误差,具体情况主要有卫星运行轨道和地球自转对数据精确度的影响、卫星传输数据时受到干扰和测绘基站与移动GPS传输数据时,植物以及其他物体对信号的削弱或数据丢失引起的误差。
对于卫星运行轨道和地球自转对数据精确度造成的误差不可能避免,只能通过选择最佳的观测时段和尽量满足最佳测量标准的基准点来最大限度地减少误差。测绘基站与移动GPS传输数据时,植物以及其他物体对信号的削弱或数据丢失引起的误差,可以通过减少导致这种测量误差的最主要因素的途径解决。即在测量时确保移动GPS信号运动与数据传输的范围内,尽量不在高大的树下来实现。
(3)坐标转换会带来误差。对于坐标转换误差来说,有两个误差源,一是投影带来的误差,二是已知点误差的传递。但通过设置RTK控制软件采用的投影为抵偿投影(中央子午线为基准站所在点的经度,投影面可选为测区平均高程面)的方法,可以忽略投影误差。只需考虑已知点误差的影响。当平面已知点只有两个时,则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件,无多余条件,也就不能给出坐标转换的精度评定。  
 二、GPS-RTK技术在断面测量中技术特点分析
  传统的断面测量工作需要将仪器放置在一已知点,然后指挥跑点人员在线路的断面上进行测量。有些断面测量尤其是在进行曲线测量时,要先靠跑点人员的工作经验大致跑到曲面的断面点上,经过仪器操作人员测量后再计算出跑点人员断面点的偏移量,跑点人员再到真正的断面点上测量。遇到视线上有障碍物时还要转测站,非常费工费时。应用水准测量时,高差变化较大时,进度缓慢。本次工程中,利用线路已有的高程控制网点(每公里要求有一个四等水准点),进行对GPS拟合高的及时校正比对,保证了GPS-RTK采集到的高程数据的数学精度,满足中平测量的精度要求,同时节约了计算数据的时间、节约了测绘成本。 &
  &三、GPS-RTK技术在应用中存在的不足及解决办法
(1)卫星状况影响GPS-RTK技术测量中的精度
当卫星系统运行至美国最佳时段时,因相隔半球之遥。可能会产生假值。而且世界上的某些地区仍然不能很好的被卫星系统覆盖,也会产生假值。在高山、峡谷、森林区域、城市高楼密布区域,卫星信号会被遮挡很长时间,使得一天中可以用于测量的时间受到很大的限制。对产生假值的解决方案是选择合适的工作时间,通过采用测设已知点的CPS-RTK测量成果的方法来发现数据中存在的质量问题。
(2)GPS-RTK高程收敛的稳定问题
GPS-RTK外业坐标数据采集时,需要作业者细心,采集每个点位的坐标时,一定要用轻便强制对中杆精确对中,并在固定解的情况下,高程收敛指标RMS值小于0.01的时候采集,这样采集的数据才能满足中平测量的数学精度。GPS拟合高程值可以保证1.6厘米的数学精度。   
 四、结束语 
 GPS-RTK技术在公路测量中的有选点灵活,布网方便,不受通视、网形的限制,测量速度,精度高等优点,大大提高了工作效率,保证了公路勘测、放线精度。随着RTK技术提高,软件的完善,这项技术在公路勘测设计、公路施工放样等领域有着更广阔的应用。
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<div id="guideWidget" class%RTK 使用人员必须了解的8大基本知识?_生活百科_百科问答
RTK 使用人员必须了解的8大基本知识?
提问者:俞建淇
RTK作为现代化测量中的测绘仪器,已经非常普及.RTK在测量中的优越性也是不言而喻.为了能让RTK的优越性能在使用中充分的发挥出来,为了能让RTK使用人员能灵活的应用RTK,我认为RTK使用人员必须了解以下的基本知识:1.GPS的概念及组成GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外,利用该系统,用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。  GPS计划始于1973年,已于1994年进入完全运行状态(FOC[2])。GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:  空间部分  GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成,这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座,其中21颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。  控制部分  GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去.
用户部分  GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。2.GPS发射的信号GPS卫星发射两种频率的载波信号,即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:  C/A码  C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。  P码  P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。  Y码  见P码。  导航信息导航信息被调制在L1载波上,其信号频率为50Hz,包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置,导航信息也被称为广播星历。3.GPS定位的原理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。如下图所示,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:     上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。  di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。  △ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。  c为GPS信号的传播速度(即光速)。  四个方程式中各个参数意义如下:    x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。    xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,  可由卫星导航电文求得。    Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。    Vto为接收机的钟差。  由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。  目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,而为得到更高的定位精度,我们通常采用差分GPS技术:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。差分GPS分为两大类:伪距差分和载波相位差分。   1. 伪距差分原理  这是应用最广的一种差分。在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度。这种差分,能得到米级定位精度,如沿海广泛使用的&信标差分&。  2.载波相位差分原理  载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。4.GPS定位的误差源我们在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类:一、与GPS卫星有关的因素  1.SA政策  美国政府从其国家利益出发,通过降低广播星历精度(技术)、在GPS基准信号中加入高频抖动(技术)等方法,人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。  2.卫星星历误差  在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。  3.卫星钟差  卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。  4.卫星信号发射天线相位中心偏差  卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。二、与传播途径有关的因素  1.电离层延迟  由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。  2.对流层延迟  由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。 3.多路径效应  由于接收机周围环境的影响,使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响,这就是所谓的多路径效应。 三、与接收机有关的因素  1.接收机钟差  接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。  2.接收机天线相位中心偏差  接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。  3.接收机软件和硬件造成的误差  在进行GPS定位时,定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。四、其它  1.GPS控制部分人为或计算机造成的影响  由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。  2.数据处理软件的影响  数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。5.GPS测量中坐标系统、坐标系的转换过程6.GPS高程测量一、高程系统 1、高程系统(1)大地高(Hg)(2)正常高/正高(Hr/hg) 2、大地高系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高,大地高一般用符号H表示。大地高是一个纯几何量,不具有物理意义,同一个点,在不同的基准下,具有不同的大地高。 3、正高系统 正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到通过该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离,正高用符号hg表示。 4、正常高系统 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统。某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离,正常高用Hr表示。 5、高程系统之间的转换关系 Hr=H-r Hg=H-hg
二、GPS测高方法 1、等值线图法 从高程异常图或大地水准面差距图分别查出各点的高程异常或大地水准面差距,然后分别采用下面两式可计算出正常高和正高。 在采用等值线图法确定点的正常高和正高时要注意以下几个问题: (1)注意等值线图所适用的坐标系统,在求解正常高或正高时,要采用相应坐标系统的大地高数据。 (2)采用等值线图法确定正常高或正高,其结果的精度在很大程度上取决于等值线图的精度。 2、大地水准面模型法 地球模型法本质上是一种数字化的等值线图,目前国际上较常采用的地球模型有OSU91A等。不过可惜的是这些模型均不适合于我国。 3、拟合法 (1)基本原理 所谓高程拟合法就是利用在范围不大的区域中,高程异常具有一定的几何相关性这一原理,采用数学方法,求解正高、正常高或高程异常 (2)注意事项 &适用范围 上面介绍的高程拟合的方法,是一种纯几何的方法,因此,一般仅适用于高程异常变化较为平缓的地区(如平原地区),其拟合的准确度可达到一个分米以内。对于高程异常变化剧烈的地区(如山区),这种方法的准确度有限,这主要是因为在这些地区,高程异常的已知点很难将高程异常的特征表示出来。 & 选择合适的高程异常已知点 所谓高程异常的已知点的高程异常值一般是通过水准测量测定正常高、通过GPS测量测定大地高后获得的。在实际工作中,一般采用在水准点上布设GPS点或对GPS点进行水准联测的方法来实现,为了获得好的拟合结果要求采用数量尽量多的已知点,它们应均匀分布,并且最好能够将整个GPS网包围起来。 &高程异常已知点的数量 若要用零次多项式进行高程拟合时,要确定1个参数,因此,需要1个以上的已知点;若要采用一次多项式进行高程拟合,要确定3个参数,需要3个以上的已知点;若要采用二次多项式进行高程拟合,要确定6个参数,则需要6个以上的已知点。 &分区拟合法 若拟合区域较大,可采用分区拟合的方法,即将整个GPS网划分为若干区域,利用位于各个区域中的已知点分别拟合出该区域中的各点的高程异常值,从而确定出它们的正常高。下图是一个分区拟合的示意图,拟合分两个区域进行,以虚线为界,位于虚线上的已知点两个区域都采用。7.RTK的工作原理和精度分析经常有一些客户会打电话给我询问一些有关RTK的精度问题,根据我的总结,这些客户对RTK的原理掌握不够深刻,对一些能反映RTK精度的指标也理解不透.在此我对RTK的原理及精度简要的阐述一下,希望能抛砖引玉,对大家有所帮助. RTK是实时动态测量,其工作原理可分为两部分阐述。 一、实时载波相位差分 我们知道,在利用GPS进行定位时,会受到各种各样因素的影响(见上节中的GPS误差源),为了消除这些误差源,必须使用两台以上的GPS接收机同步工作.GPS静态测量的方法是各个接收机独立观测,然后用后处理软件进行差分解算。那么对于RTK测量来说,仍然是差分解算,只不过是实时的差分计算。 也就是说,两台接收机(一台基准站,一台流动站)都在观测卫星数据,同时,基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号(或载波相位差分改正信号)发射出去;那么,流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号;在这两信号的基础上,流动站上的固化软件就可以实现差分计算,从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。在这一过程中,由于观测条件、信号源等的影响会有误差,即为仪器标定误差,一般为平面1cm+1ppm,高程2cm+1ppm. 二、坐标转换 空间相对位置关系不是我们要的最终值,因此还有一步工作就是把空间相对位置关系纳入我们需要的坐标系中。GPS直接反映的是WGS-84坐标,而我们平时用的则是北京54坐标系或西安80坐标系,所以要通过坐标转换把GPS的观测成果变成我们需要的坐标。这个工作有多种模型可以实现,我们的软件采用的是平面与高程分开转换,平面坐标转换采用先将GPS测得成果投影成平面坐标,再用已知控制点计算二维相似变换的四参数,高程则采用平面拟合或二次曲面拟合模型,利用已知水准点计算出该测区的待测点的高程异常,从而求出他们的高程。坐标转换也会带来误差,该项误差主要取决于已知点的精度和已知点的分布情况。 从上可以看出,RTK的测量精度包括两个部分,其一是GPS的测量误差,其二是坐标转换带来的误差。 对于华测RTK设备来说,这两项误差都能够反映,GPS的测量误差在实时测量时可以从手簿上看得到(HRMS 和 VRMS).对于坐标转换误差来说,又可能有两个误差源,一是投影带来的误差,二是已知点误差的传递。当用三个以上的平面已知点进行校正时,计算转换四参数的同时会给出转换参数的中误差(北方向分量和东方向分量,必须通过控制点坐标库进行校正才能得到)。值得注意的是,如果此时发现转换参数中误差比较大(比如,大于5cm),而在采集点时实时显示的测量误差在标称精度范围之内,则可以判定是已知点的问题(有可能找错点或输错点),有可能已知点的精度不够,也有可能已知点的分布不均匀。当平面已知点只有两个时,则只能满足计算坐标转换四参数的必要条件,无多余条件,也就不能给出坐标转换的精度评定,此时,可以从查看四参数中的尺度比ρ来检验坐标转换的精度,该值理想值为1,如果发现ρ偏离1较多(比如:|ρ-1|R1/40000,超出了工程精度),则在保证GPS测量精度满足要求的情况下,可判定已知点有问题。 总结得到: 为了保证RTK的高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定.如果利用两点校正,一定要注意尺度比是否接近于1.8.RTK测量注意事项一. 参考站要求 参考站的点位选择必须严格。因为参考站接收机每次卫星信号失锁将会影响网络内所有流动站的正常工作。 1..周围应视野开阔,截止高度角应超过15度,周围无信号反射物(大面积水域、大型建筑物等),以减少多路径干扰。并要尽量避开交通要道、过往行人的干扰。 2.参考站应尽量设置于相对制高点上,以方便播发差分改正信号。 3.参考站要远离微波塔、通信塔等大型电磁发射源200米外,要远离高压输电线路、通讯线路50米外。4.RTK作业期间,参考站不允许移动或关机又重新启动,若重启动后必须重新校正。 5.参考站连结必须正确,注意蓄电池的正负极(红正黑负). 6.参考站主机开机后,需等到差分信号正常发射方可离开参考站,X90表示为电台灯每秒闪烁一次. 二.流动站要求  1.在RTK作业前,应首先检查仪器内存容量能否满足工作需要,并备足电源。  2.在打开测地通之后,首先要确保手簿与主机蓝牙连通。  3.为了保证RTK的高精度,最好有三个以上平面坐标已知点进行校正,而且点精度要均等,并要均匀分布于测区周围,要利用坐标转换中误差对转换参数的精度进行评定.如果利用两点校正,一定要注意比例因子是否接近于1.  4.由于流动站一般采用缺省2m流动杆作业,当高度不同时,应修正此值。  5. 在信号受影响的点位,为提高效率,可将仪器移到开阔处或升高天线,待数据链锁定达到固定后,再小心无倾斜地移回待定点或放低天线,一般可以初始化成功。最后祝您工作顺利!
回答者:岳传辉
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