GPS-RTK技術在鐵路中線定測中的應用

楊青坡

全球定位系統(GPS)在測繪生產部門的應用早期主要集中于大地測量領域。高精度的實時動態(GPS-RTK)定位技術是GPS測量技術發展的一個新突破,是測繪行業的一次重要的技術革命。

眾所周知,無論是靜態定位,還是準動態定位等定位模式,由于數據處理的原因,無法實時的解算出定位結果,而且也無法對觀測數據進行檢核,這就難以保證觀測數據的質量,在實際工作中經常需要花費大量的時間進行成果檢核,這樣就大大降低了GPS測量的工作效率。因此GPS-RTK技術很快就在測繪行業的各個領域得到了廣泛的推廣,如地形圖測量、公路、鐵路的勘察設計和施工放樣、地質調查和土地勘察定界與變形測量等。

1 GPS-RTK工作原理

GPS-RTK是一項基于載波相位觀測為基礎的實時差分GPS測量技術,是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的技術,這兩個測站分別被稱作基準站和流動站。基準站一般選設在視野較開闊、地勢較高的已知控制點上,從而方便于對 GPS衛星進行連續跟蹤觀測,在基準站上設置一臺 GPS接收機,通過對所有可見的GPS衛星進行連續性觀測,然后將其得到的觀測數據通過無線電傳輸設備,準確地、實時地發送到各個用戶流動站。GPS-RTK定位能夠實時地提供各個待測點在指定坐標系中的準確三維定位結果,用戶流動站通過數據鏈接收不僅能得到來自基準站的數據,還可進行 GPS觀測數據采集工作,并在系統內通過組成差分觀測值的方式對所得數據進行實時處理,同時給出厘米級的動態定位結果。

傳統的靜態定位測量是在一條或數條基線的端點之上分別安置兩臺或兩臺以上的GPS接收機,以基線長度的要求及其精度為主要依據,對所得觀測值進行處理工作,可得到任一測站的精密的WGS-84基線向量,經過國家三角點或更高精度的A級網點聯測、坐標解算、平差、坐標傳遞、坐標轉換等工作,最終得到坐標結果,這是一段非常耗時的工作。顯然靜態定位測量的這種工作特性決定其不具備實時性。而GPS實時動態(RTK)定位技術是在傳統的靜態定位測量常用設備的基礎之上,增加一套無線電數字傳輸設備系統(我們通常稱之為電臺),從而把以前兩個相對獨立的GPS信號接收系統連成了一個有機的整體。基準站通過無線電數字傳輸設備系統將觀測值數據、信息實時地傳輸給各個用戶流動站,用戶流動站根據基準站傳來的載波相位觀測信號,與流動站本身的載波信號成基線進行實時數據處理工作,就能很快速地解算出兩站間的基線值。由于接收機輸入了相應的坐標轉換和投影參數等相關信息,所以也就能實時地得到各個用戶流動站測點坐標位置。

2 GPS-RTK技術優點

1)作業效率高。一般的地形地勢下,高質量的 RTK設站一次即可測完 10 km半徑的測區,大大減少了傳統測量所需的控制點數量和儀器的搬站次數,僅需一人操作,在一般的電磁波環境下幾秒鐘即可得到一點坐標,作業速度快,勞動強度低,節省了外業費用,提高了勞動效率。

2)定位精度高,數據安全可靠,沒有誤差積累,只要滿足 RTK的基本工作條件,在一定的作業半徑范圍內,RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級。

3)降低了作業條件的要求。RTK技術不要求兩點間滿足光學通視,只要求滿足“電磁波通視”,因此,與傳統測量相比較, RTK技術受通視條件、能見度、氣象、季節等因素的影響和限制較小,就算是復雜的地形區域,只要能滿足RTK的基本條件,都能夠輕松的完成高精度的定位。

4)RTK作業自動化、集成化程度高,測繪功能強大。RTK適用于各種測繪內外業。流動站利用內部軟件,無需人工就能自動實現多種測繪功能,從而減少人為誤差,保證了作業精度。

5)操作簡單容易使用,數據處理能力強。只要在設站時進行簡單的設置,就可以實時進行測量。數據輸入、存儲、處理、轉換和輸出能力強,能方便快捷地與計算機和其他測量儀器通信。

3 作業方法

1)建立測區平面控制網。根據中線放樣資料,運用 GPS靜態測量方法建立測區控制網,每 4 km一對點,其中對點間保持通視,利用GPS數據處理軟件求出各控制點的平面坐標,與此同時也不得不考慮其投影變形,其變形的程度取決于測區地理位置和高程,鐵路線路跨越范圍廣,線路走向、地形情況千差萬別,長度變形也因此各不相同,所以必須采取一些相應的措施來削弱長度變形。

2)高程控制測量。GPS得到的高程是大地高,而實際工程采用的卻是正常高,因此需要將大地高轉化為正常高。但測區的高程異常通常來說是未知數,且變化較為復雜,特別在山區,精度更差。此外,新線定測要求約每隔 2 km設置一水準點,但存在著有些地形不能滿足 GPS觀測的條件,采用高程擬合的方法擬合所得的高程精度也因此不能得到保證,完全地用 GPS替代等級水準難度較大。因此等級水準仍需采用水準儀作業模式。

3)計算基準轉換參數。合理選擇控制網中已知的WGS-84和北京 54坐標以及高程的公共點,求解轉換參數,為RTK動態測量工作做好準備。求解基準轉換參數時,公共點平面殘差應控制在1.5 cm以內,高程殘差應控制在3 cm以內。

4)基準站選定。基準站設置除了滿足 GPS靜態觀測的條件外,還應設在地勢較高、四周開闊的位置,便于電臺的發射。基準站宜設于已知平面高程控制點上,也可在未知點上設站。

5)放樣內業數據準備。根據實際情況求算出所需要放樣點的所有坐標,并將這些坐標按照特定的格式導入到 GPS手簿里面,以便進行外業放樣。

6)外業操作。將基準站接收機設在基準點上,開機后進行必要的系統設置、無線電設置及天線高等輸入工作。通常公布的坐標系統和大地水準面模型不考慮投影中的當地偏差,因此要通過點校正來減少這些偏差,獲得更精確的當地網格坐標,且確保作業區域在校正的點范圍內。

4 結語

GPS-RTK動態測量技術不僅能達到較高的定位精度,而且大大提高了測量的工作效率,從而縮短了整個勘察工程的外業工期。隨著 RTK技術的不斷完善發展,該技術已經逐步應用到了地形圖測量當中,大大的減輕了測量人員的勞動強度。因此,RTK技術在鐵路工程測量領域有著廣闊的應用前景。

[1] 成桂靜.GPS在工程測量中的應用[J].山西建筑,2009,35 (1):355-356.