GPS-RTK技術在鐵路地質鉆孔放線測量中的應用

鄧軍 王強

0 引言

隨著GPS硬件技術的不斷更新,定位理論研究的不斷深入,誤差模型的不斷精化,各種應用軟件的成功開發使用,使定位系統的精密度、實時性和可靠性都得到了長足的發展與提高。由于整周模糊度的在航解算OTF(Ambiguity Resolution On The Fly)方法已經成熟,高精度的實時動態差分GPS-RTK(Real Time Kinematics)目前廣泛地應用于電力、公路、鐵路的勘測設計和施工放樣以及地質石油勘探、大江大河的水文水資源調查等。

在修建鐵路前都要進行地質勘探測量,地質鉆孔位置的放樣是地質勘探的基礎,由于GPS-RTK是以載波相位觀測量實時差分為依據的動態定位技術,它能在施測的過程中實時得到三維坐標(平面坐標及高程),且測量精度可達到厘米級,這就使其應用在鐵路鉆孔放樣測量中成為可能。

1 GPS-RTK工作原理與作業流程

1.1 基本原理

GPS靜態測量的方法是各個接收機獨立觀測,然后用后處理軟件進行差分解算。對于RTK測量來說,仍然是差分解算,只不過是實時的差分計算。也就是說,兩臺接收機(一臺基準站,一臺流動站)都在觀測衛星數據,同時,基準站通過其發射電臺把所接收的載波相位信號(或載波相位差分改正信號)發射出去;流動站在接收衛星信號的同時也通過其接收電臺接收基準站的電臺信號;在這兩信號的基礎上,流動站上的固化軟件就可以實現差分計算,從而精確地定出基準站與流動站的空間相對位置關系。

1.2 GPS-RTK放樣測量流程

1)收集測區控制點資料。作業前應先收集測區的控制點資料,包括控制點的坐標、等級、中央子午線、坐標系,是常規網還是GPS控制網、控制點的地形和位置是否適合作動態GPS的參考站。如無可用控制點,尚需布設及測求GPS控制網。

2)測區布置及參數設置。在實施放樣測量前,應對整個測區進行合理布置,一般應將測區分成若干個測段(測段長不超過10 km),且應使每個測段的控制點較均勻的分布在測段內。同時,還應設置相應的系統參數,如定義要求的配置集、數據保存位置、坐標系統、天線類型、限差、衛星高度角等。

3)求出測區轉換參數。實際作業時,根據控制點的分布情況,選用每個測段內至少3個以上分別有WGS-84地心坐標和北京54坐標或當地坐標的控制點,由水準網資料可獲得選用點的高程,利用系統的相關軟件可求解出各測段的7個(或 3個)轉換參數。為了得到RTK高程,還要求取測段比較準確的高程異常模型。

4)基準站的選定和安置。根據各測段的控制點情況,選擇堅實穩定、地勢較高、臨空面廣闊、交通方便的位置作為基準站的架設點。為保證測量精度,基準站一般架設于各測段的中部,在基準站接收機上輸入WGS-84坐標,各相關參數、天線高、作業名、測站名等。

5)野外放樣測量。通過衛星預報,選擇最佳觀測時間,實測時在流動站要正確輸入各項參數及設計線路坐標,并做好初始化工作。

2 GPS-RTK在渝黔鐵路鉆孔放線測量中的應用

2.1 工程概況

渝黔快速鐵路,是國家規劃的“八縱八橫”鐵路客運主干線,渝黔快速線北起重慶市沙坪壩區上橋的新重慶站,線路基本沿舊川黔線,經過綦江→遵義→貴陽。全長347.67 km,投資300億元,平均每千米造價8 700萬元,設計時速200 km。建成以后,南北兩端將分別與貴廣快鐵和蘭渝線連接,成為一條聯貫西北→西南→華東南的客運主干線;是國家西部大開發重點工程之一。線路所經過的渝南黔北都為山區,且沿線居民點較多,通視條件較差,地質鉆孔放樣測量工作量大,采用常規的測量方法難以在較短的時間內完成放樣工作,采用了3臺中海達V8接收機進行放樣測量工作。

2.2 已有控制點及放樣測量

整個線路在勘察設計前期由中鐵二院布設了41對共82個D等GPS點,兩個點之間通視,所有的成果都轉換成了北京54坐標。這就為放樣測量提供了設置基準站的便利條件。為了求定坐標轉換參數,在已有的GPS控制網中選擇分布均勻的部分點位,采用GPS靜態測量技術測定各點的WGS-84坐標,由于放樣線路距離較長,地勢復雜,考慮到動態GPS系統數據鏈的傳遞及定位精度的要求,實際求解時將測區分成5 km～10 km的若干測段,對每個測段利用V8接收機上的參數轉換模塊進行坐標轉換。

3 精度分析

3.1 GPS-RTK測量精度與精度因子的關系

對遵義市紅花崗區段的220個RTK放樣點在1954年北京坐標系統下進行約束平差計算得各放樣點的點位中誤差,并按不同的PDOP(PDOP為幾何精度衰減因子,它是反映GPS衛星空間幾何位置分布對GPS測量影響的指標)值進行分類統計誤差。

由統計結果可以得出如下結論:1)在RTK完成初始化之后,其測高精度已達到了儀器標稱精度。2)受衛星分布影響,隨著PDOP值的增大,標準差有增大的趨勢。當PDOP＜2時,觀測數據最優;當2≤PDOP≤5時,標準差與 PDOP＜2時無顯著差別;當PDOP＞5時,標準差明顯增大,但仍優于標稱精度。3)接收衛星數目為6顆～9顆的情況下,標準差變化不顯著,當接收衛星數為5顆時,標準差明顯增大,但仍能達到標稱精度指標。

3.2 RTK測量精度與控制點分布關系

本次施測中用來比測的控制點為2003年布設的E級GPS點,在RTK測量過程中,每測一個點都有精度顯示。GPS控制手簿內精度控制的缺省值采用:平面0.015 m、高程0.020 m。所有比測的點均小于此誤差限,最大點位移為0.292 m,距基準站的最大距離為5.30 km,最大高程較差為0.254 m。RTK測點位移的中誤差為0.095 m。

3.3 RTK測量精度與遮擋物影響關系

受客觀測量條件所限,在實際測量過程中一般很難避開遮擋物,接收衛星信號,數傳電臺發射無線電信號,都不可避免地受遮擋物的影響。參照張孝軍先生提出的測試方法[5],在BC段的茂密樹林里予以了測試。在無樹木遮擋地方初始化后,進入樹林中樹木相對稀疏的地方進行測量。此時測量中初始化信息無丟失,數據鏈通訊較穩定,點位移與高程較差都不大,地形吻合較好。但當進入樹林中央茂密的地方,就出現測點位移大,初始化信息丟失,且很難重新初始化的現象,測量無法得到繼續。另在通訊信號發射塔及高壓線附近測量結果偏差明顯增大,無法正常測量,當距離達到500 m后基本正常,對于在這500 m內的測量可仍用常規方法予以施測。

3.4 RTK測量精度與基準站點位關系

首先考慮基準站與測點的距離對RTK測量精度的影響,只要滿足點位距基準站距離在6 km以內即可。其次考慮基準站與測點高差的影響,在測量過程中,應選擇在PDOP＜5、可用衛星為5顆以上的情況下進行觀測,同時應保證測量點位距基準站距離在6 km范圍以內,可以滿足1∶500及更小比例尺的地形測量精度的要求。

4 結語

GPS-RTK技術的應用是對地質鉆孔放樣測量的一次根本性變革和發展。實踐證明,RTK技術運用于鐵路勘測可顯著提高工作效率、縮短工期、降低成本,同時具有精度高、方便快捷等優點。在用GPS-RTK進行測量時需合理布置控制點位,同時要不斷進行質量校核以充分保證測量的準確性。

[1]劉基余,李征航.全球定位系統原理及其應用[M].北京:測繪出版社,1993.

[2]徐紹銓,張華海.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1998.

[3]李仕東.GPS-RTK技術在高等級公路橫斷面測量中的運用[J].測繪工程,2005,14(3):25-26.

[4]王刊生,李 林.GPS-RTK技術在公路放線中應用[J].鐵道勘察,2004,5(1):20-21.

[5]雷迎春.GPS實時動態測量技術在山區地震勘探中的應用研究[J].西南交通大學學報,1999(5):83-85.

[6]張孝軍,林云發.GPS-RTK技術的測量精度探討[J].人民長江,2005,36(10):53-54.

[7]鄭 強,吳迪軍.GPS-RTK技術在復雜公(鐵)路工程測量中的應用[J].地理空間信息,2006,4(6):10-11.