時載波相位差分ＧＰＳ技術(shù)在公路測量作業(yè)中的應(yīng)用研究

林建軍　卓　鑫

摘要: 時載波相位差分(RTK)作業(yè)模式能實時地給出厘米級精度的點位坐標(biāo)，解決了當(dāng)前公路測量中許多常規(guī)方法無法解決的技術(shù)問題，因此，在公路勘測中得到廣泛使用。筆者結(jié)合自身工作實際分析了GPS RTK系統(tǒng)的工作原理，并重點對RTK的作業(yè)方式進行了研究和探討。

關(guān)鍵詞:RTK；GPS技術(shù)；作業(yè)方式

1 引言

傳統(tǒng)的公路勘測工作辛苦且繁瑣，存在著勘測周期長、工作效率低等諸多問題。最大限度地減輕公路勘測工作量、提高公路勘測效率和勘測精度，一直是公路勘測工作者孜孜以求的目標(biāo)。目前，GPS技術(shù)的發(fā)展為公路勘測技術(shù)的騰飛奠定了堅實的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代公路勘測中，定測階段和施工階段主要是利用GPS實時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)來完成傳統(tǒng)測量方法中的圖根加密控制、像控點測定、帶狀圖測繪以及施工放樣測量等工作，并在統(tǒng)一坐標(biāo)系下提供點位的三維數(shù)據(jù)信息。

2 GPS RTK 系統(tǒng)的工作原理

RTK系統(tǒng)主要由一個參考站（即基準(zhǔn)站）、若干個流動站、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)3大部分組成。基準(zhǔn)站包括：GPS接收機、GPS天線、無線電通訊發(fā)射設(shè)備、電源、基準(zhǔn)站控制器等設(shè)備。流動站的基本配置是：GPS天線、GPS接收機、無線電通訊接收設(shè)備、電源、流動站控制器。RTK系統(tǒng)的工作原理見圖1：

RTK測量時，基準(zhǔn)站將接收到的所有衛(wèi)星信息及其基準(zhǔn)站信息一起由通訊系統(tǒng)傳送給各流動站。各流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時還接收基準(zhǔn)站傳送的信息，當(dāng)流動站完成初始化土作后，控制器即可根據(jù)接收到的信息實時計算并顯示出流動站的點位坐標(biāo)。RTK系統(tǒng)之所以能快速定位并且能進行動態(tài)初始化，是因為系統(tǒng)采用了動態(tài)快速求解整周模糊度AROF技術(shù)。這一技術(shù)使人們擺脫了高精度GPS載波相位測量中必須以解算整周求知數(shù)為目的的初始化問題，以及動態(tài)測量中必須始終保持4顆以上衛(wèi)星的連續(xù)鎖定的難題。優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也是RTK技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。RTK要求基準(zhǔn)站與各流動站之間通過建立數(shù)據(jù)通訊鏈來實現(xiàn)基準(zhǔn)站信息(數(shù)據(jù))向流動站的實時傳輸，并能對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行正確編碼和同步檢錯。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確與實時，必須綜合考慮傳輸格式、傳輸頻率、傳輸距離、傳輸數(shù)據(jù)量等諸多因素。

3 公路RTK系統(tǒng)的作業(yè)方式

RTK測量能實時地給出厘米級的點位三維坐標(biāo)，從而解決了許多常規(guī)方法無法解決的技術(shù)問題。如公路施工中的三維實時動態(tài)放樣，可以使勘測人員逐步擺脫先控制后加密再測圖及手工操作的落后局面，實現(xiàn)一步法自動化數(shù)字化測圖，這將顯著提高勞動生產(chǎn)率。而且因為流動站可以直接掌握參考站的進程和測點精度狀況及可靠性指標(biāo)，避免了測后返工問題，可以進一步縮短外業(yè)觀測時間。RTK系統(tǒng)的作業(yè)方式非常靈活。基準(zhǔn)站采用靜態(tài)作業(yè)模式，可以安置在已知點上，也可以安置在待定點上。流動站采用動態(tài)作業(yè)模式，可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可以處于運動狀態(tài)。可在一固定點上先進行靜態(tài)初始化再進行動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。

3.1 不同起算條件下的RTK作業(yè)方式

在進行公路RTK測量時，起算點的已有坐標(biāo)數(shù)據(jù)情況往往不盡相同。有的已知點可能同時具有WGS-84世界大地坐標(biāo)系坐標(biāo)和80坐標(biāo)或54坐標(biāo)，可以求解兩系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而大多數(shù)的已知點可能只具有80坐標(biāo)或54坐標(biāo)，還不能直接求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。特殊情況下也可能待定點只需要84坐標(biāo)即可。因此在具體作業(yè)方式上會有所不同。

對于已知點同時具有84坐標(biāo)和80坐標(biāo)或54坐標(biāo)的公路項目，可以在RTK系統(tǒng)中直接輸入已知點的兩套坐標(biāo)，選用合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，通過公共點匹配求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，檢驗合格后保存采用。此時要求基準(zhǔn)站必須安置在已知點上，而且應(yīng)輸入已有的84坐標(biāo)，以保證84坐標(biāo)的一致性；流動站比較靈活，可以直接到待定點上流動觀測，也可以先到個別已知點或已測點上進行檢核測量，以核對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性。對于已經(jīng)布設(shè)GPS控制網(wǎng)的公路項目，一般都可以按此種作業(yè)方式進行。

對于已知點僅具有80坐標(biāo)或54坐標(biāo)的公路項目，必須先測定已知點的84坐標(biāo)，為求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)所用。此時要求基準(zhǔn)站可以安置在已知點上，也可以安置在待定點上，甚至可以安置在臨時一點上，但都必須先進行單點定位，測定基準(zhǔn)站的84坐標(biāo)，一般取10分鐘的觀測數(shù)據(jù)即可。而流動站必須先到已知點進行流動觀測，獲取所有已知點的84坐標(biāo)，然后同樣在RTK系統(tǒng)內(nèi)通過公共點匹配求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。有了轉(zhuǎn)換參數(shù)就可以到待定點上依次觀測了。對于沒有布設(shè)GPS控制網(wǎng)的公路項目，一般都需要按此種作業(yè)方式進行。

對于待定點只需要84坐標(biāo)的這一情形，此時基準(zhǔn)站和流動站直接采用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，而無需對坐標(biāo)系統(tǒng)進行處理。由于基準(zhǔn)站的安置都具有一定的可選性，因此應(yīng)盡可能的滿足以下幾方面的要求：(1)點位周圍沒有明顯的障礙物和電磁信號干擾物，以有利于衛(wèi)星信號的接收。(2)點位所在地地勢較高，最好是制高點上，以有利于數(shù)據(jù)信號的傳送。(3)點位附近充電較方便，以確保基準(zhǔn)站連續(xù)用電的特殊需要。(4)點位相對于待測區(qū)域位置適中，有利于作業(yè)半徑的覆蓋。

3.2 不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

進行RTK測量主要是充分利用它具有的快速定位和實時放樣兩大功能。在大多數(shù)情況下，只有點位放樣才真正需要實時測定，而快速定位并不都是需要實時提供坐標(biāo)，也就是說可以通過后處理提供點位坐標(biāo)。因此在作業(yè)方式上我們完全可以根據(jù)公路項目對測量成果需求的緊迫程度，優(yōu)化設(shè)計 RTK測量的作業(yè)方式，以達到盡可能縮短外業(yè)觀測時間，真正提高作業(yè)效率。

(1)在國家坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

所謂在國家1980或1954坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式。這種作業(yè)方式才是真正息義上的實時提供國家坐標(biāo)系統(tǒng)下的點位坐標(biāo)，主要工作也都是外業(yè)完成。它要求測區(qū)具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)或者能夠?qū)崟r求定轉(zhuǎn)換參數(shù)。該作業(yè)方式主要用于真正需要實時提供點位坐標(biāo)的公路項目如施工放樣等。

(2)在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式，是指RTK外業(yè)測量中無需考慮坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而直接實時提供84坐標(biāo)，通過內(nèi)業(yè)后處理提供國家坐標(biāo)的一種作業(yè)方式。這種作業(yè)方式的最大特點是:不必為求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而必須提前進行已知點聯(lián)測，而只需在測定待定點時順便聯(lián)測已知點。尤其是對于線路較長的公路RTK測量，無需實時提供國家坐標(biāo)時，按此作業(yè)方式可以大大減少外業(yè)工作量。

圖2 為某公路道路改造時RTK測量測量示意圖，路線全長約70km，為了測繪1:2000帶狀地形圖，采用GPS RTK技術(shù)測定180個二級控制點。全線已有7個四等GPS控制點，坐標(biāo)成果屬于北京坐標(biāo)系，可作為RTK測量的起算點。但已知點相距較遠(yuǎn)，平均點距約1Okm，如果采用在國家坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式，為了求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，一方面流動站要首先跑遍所有已知點，另一方面基準(zhǔn)站要顧及作業(yè)半徑，需要遷站2-3次，影響外業(yè)工作效率。為此，采取了在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式，54坐標(biāo)成果由內(nèi)業(yè)后處理提供。采用Leica GPS530系統(tǒng)進行RTK觀測，選擇102,104,106為基準(zhǔn)站，作業(yè)半徑可達10km，其它已知點納入到星狀網(wǎng)聯(lián)測中。結(jié)果外業(yè)只用了3天，比其它作業(yè)方式節(jié)省1-2天，內(nèi)業(yè)僅增加1-2天，在不影響提交成果的前提下，大大減少了外業(yè)的測量經(jīng)費，優(yōu)化

了RTK測量方案。

參考文獻

[1]張予東，公路測量中GPS RTK的應(yīng)用，測繪通報，2002

[2]石橋，GPS RTK技術(shù)在公路勘測中的應(yīng)用，交通科技，2004