鐵路測量中RTK作業方式的探討

李德獎

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,山東濟南 250022)

1 概述

在鐵路線路初、定測階段和施工階段,主要是利用GPS實時動態載波相位差分定位技術RTK來完成傳統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,并在統一坐標系下提供點位的三維數據信息,是當代GPS技術發展的一個重大突破。由于它能實時提供經過可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果,顯著地提高了作業效率,因而在鐵路工程中有著廣闊的應用前景。本文針對鐵路線路測量所特有的帶狀線路特點,探討如何靈活選用RTK測量的作業方式,以充分發揮RTK技術的潛能。

2 GPS-RTK系統的工作原理

RTK系統主要由一個參考站(即基準站)、若干個流動站、數據通訊系統3大部分組成(見圖1)。

圖1 RTK系統組成部件

RTK測量時,基準站將接收到的所有衛星信息及其基準站信息一起由通訊系統傳送給各流動站。各流動站在接收衛星數據的同時還接收基準站傳送的信息,當流動站完成初始化工作后,控制器即可根據接收到的信息實時計算并顯示出流動站的點位坐標。RTK系統之所以能快速定位并且能進行動態初始化,是因為系統采用了動態快速求解整周模糊度AROF技術。這一技術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為目的的初始化問題,以及動態測量中必須始終保持4顆以上衛星的連續鎖定的難題。優質高效的數據傳輸技術也是RTK技術實現的關鍵。RTK要求基準站與各流動站之間通過建立數據通訊鏈來實現基準站信息(數據)向流動站的實時傳輸,并能對傳輸的數據進行正確編碼和同步檢錯。為保證數據傳輸的準確與實時,必須綜合考慮傳輸格式、傳輸頻率、傳輸距離、傳輸數據量等諸多因素。

3 鐵路RTK測量的作業方式

3.1 不同起算條件下的RTK作業方式

在進行鐵路RTK測量時,起算點的已有坐標數據情況往往不盡相同。有的已知點可能同時具有WGS-84世界坐標系坐標(以下簡稱84坐標)和1980年國家坐標系坐標(以下簡稱80坐標)或1954年北京坐標系坐標(以下簡稱54坐標),這種情況下便可以求解兩系統的坐標轉換參數,可分為求取七參數和求取三參數兩種作業方式。而大多數的已知點可能只具有80坐標或54坐標,還不能直接求解坐標轉換參數。特殊情況下也可能待定點只需要84坐標即可。因此在具體作業方式上會有所不同。

(1)對于已知點僅具有80坐標或54坐標的鐵路項目,必須先測定已知點的84坐標,為求解坐標轉換參數所用。此為三參數轉換,此時要求基準站既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點上,但都必須先進行單點定位,測定基準站的84坐標,一般取10min的觀測數據即可。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,然后同樣在RTK系統內通過公共點匹配求解坐標轉換參數。有了轉換參數就可以到待定點上依次觀測了。對于沒有布設GPS控制網的鐵路項目,一般都需要按此種作業方式進行,作業成果見圖2。

圖2 三參數法GPS點校正殘差

(2)對于已知點同時具有84坐標和80坐標或54坐標的鐵路項目,可以在RTK系統中直接輸入已知點的兩套坐標,選用合適的坐標轉換模型,通過公共點匹配求解坐標轉換參數,檢驗合格后保存采用。此為七參數轉換,此時要求基準站必須安置在已知點上,流動站則比較靈活,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,以核對坐標轉換參數的正確性。對于已經布設GPS控制網的鐵路項目,一般都可以按此種作業方式進行,作業成果見圖3。

圖3 七參數法GPS點校正殘差

(3)對于待定點只需要84坐標的這一情形,此時基準站和流動站直接采用WGS-84坐標系統,而無需對坐標系統進行處理。由于基準站安置都具有一定的可選性,因此應盡可能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,以有利于衛星信號的接收。②點位所在地地勢較高,最好是制高點上,有利于數據信號的傳送。③點位附近充電較方便,確保基準站連續用電的特殊需要。④點位相對于待測區域位置適中,有利于作業半徑的覆蓋。

3.2 不同坐標系統下的RTK作業方式

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,也就是說可以通過后處理提供點位坐標。因此在作業方式上我們完全可以根據鐵路項目對測量成果需求的緊迫程度,優化設計RTK測量的作業方式,以達到盡可能縮短外業觀測時間,真正提高作業效率。

(1)在國家坐標系統下的RTK作業方式

所謂在國家1980或1954坐標系統下的RTK作業方式,也就是3.1中所介紹的前兩種情形。因為這種作業方式才是真正意義上的實時提供國家坐標系統下的點位坐標,主要工作也都是外業完成。它要求測區具有坐標轉換參數或者能夠實時求定轉換參數。該作業方式主要用于真正需要實時提供點位坐標的鐵路項目如定測中線測量和施工放樣等,在目前具有相當的普遍性。

(2)在WGS84坐標系統下的RTK作業方式

所謂在WGS84坐標系統下的RTK作業方式,是指RTK外業測量中無需考慮坐標轉換參數而直接實時提供84坐標,通過內業后處理提供國家坐標的一種作業方式。這種作業方式的最大特點是:不必為求定坐標轉換參數而必須提前進行已知點聯測,而只需在測定待定點時順便聯測已知點。尤其是對于線路較長的鐵路RTK測量,無需實時提供國家坐標成果時,按此作業方式可以大大減少外業工作量,提高工作效率。

4 應用實例

2009年11月公司對京滬線韓莊至利國間橋梁線路改造工程進行定測,該項目位于山東省濟寧市微山縣韓莊鎮境內,在京滬鐵路韓莊站和利國站之間,里程范圍:既有京滬線(K759+150～K763局界),設計DK759+150～DK762+962.89。根據設計要求需補充測量帶狀地形圖(影響線位方案的既有線平面位置、電力線、電氣化支柱、輸油管道等的位置),然后進行定測放線等工作。

4.1 作業方式

由于測區已知點只有80坐標,且前期無需實時提供國家坐標成果,不必為求定坐標轉換參數而進行已知點聯測,只需在測定待定點時順便聯測已知點,故采用在WGS84坐標系統下的RTK作業方式。

4.2 作業內容

采用RTK1+2模式,即一個基準站兩組流動站,一組邊測量已知平面控制點及沿線水準點同時測量既有線路,另外一組測量電氣化支柱、電力線及其他待定點。兩個測組建立相同屬性(無投影無基準)的項目,采用同一個基準站,各自采集數據。外業數據采集完成后,將兩個組的測量DC文件導入到一個TGO項目內一起參與校正,因為此段測區地勢較為平坦將采得的水準點同時進行高程擬合(便于后續中線測量同時得到中樁的擬合高程,省去了常規測量用水平儀測量中樁高程工序),這樣求得轉換參數之后就能將兩個組的測量數據轉換成當地坐標,提交成果進行線路設計。方案設計完成后根據校正好的項目按照提供的坐標用RTK進行中線放樣測量及橫斷面測量。

在此測量過程中我們根據不同的階段不同的要求選擇不同的作業方式,原來需要0.5d的時間聯測已知點,1d的時間測量待定點,改變方式后兩個組同時測量,已知點及待定點坐標一遍采集完成,只需要0.5d便完成了任務,節省出1d的外業時間,在保證質量的前提下大大降低了工作時間。由此可見,這種作業方式用于長大線路帶狀地形圖測量及圖根點加密測量等工作時,更加能顯示出它的優越性。

5 結束語

綜上所述,鐵路RTK測量作業方式非常靈活,應該根據鐵路工程的實際情況來進行選擇,充分發揮RTK測量的技術優勢,盡可能地減少外業工作量,提高工作效率,降低生產成本。

[1]張予東.公路測量中GPSRTK的應用[J].測繪通報,2002(5)

[2]袁新強.GPS動態測量技術優劣性分析[J].鐵道勘察,2006(3):7-9

[3]GB50026—93 工程測量規范[S]