網絡RTK技術在城市線路測量中的應用研究

吉仕村，何錫揚

(長沙市勘測設計研究院，湖南長沙 410007)

1 概述

在城市測量中，線路測量占了很重要的地位，而線路測量往往工作量大，工期要求卻較短，因而采用較為先進的技術提高生產的效率非常必要。在傳統的線路測量中，通過全站儀來進行放樣測量，在測量的準確性和精度以及工作效率方面都受到很多的制約。隨著近年來GNSS理論和技術在國內的迅速發展，全國大部分城市逐步建立了連續運行參考站網(CORS)，將網絡RTK技術應用到城市測量中，取得了很好的效果。

本文將結合長株潭連續運行參考站網(CZTCORS)探討網絡RTK在城市線路測量中的應用。

2 網絡RTK技術

傳統的RTK技術是在2臺GPS信號接收系統(基準站和流動站)之間增加一套數據鏈，將2臺GPS接收系統聯成有機整體。移動站將基準站傳來的載波觀測信號與移動站本身采集GPS載波信號，在系統內組成差分觀測值進行實時處理，解出兩站間的基線值，同時輸入相應的坐標轉換和投影參數，實時得到精確的定位結果。由于傳統RTK技術需要同時攜帶2套GPS接收系統，在操作上帶來了一些不便性。

為了克服這一缺陷，建立多個基準站網為流動站提供差分信號的理論逐漸被提出，CORS基準站網逐步建立。CORS的理論源于上世紀80年代中期加拿大提出的“主動控制系統(Active Control System)”，該理論認為，GPS的主要誤差源來自于衛星星歷。D.E.Wells等人提出利用一批永久性參考站點，為用戶提供高精度的預報星歷以提高測量精度。連續運行參考站(Continuous OperationalReference System，CORS)將網絡化概念引入到了大地測量應用中，彌補了傳統RTK應用上存在的缺陷。

網絡RTK也稱多基準站RTK，其定位的基本思想是:在一定區域內，由于多種系統誤差，如電離層延遲、對流層延遲和軌道誤差等具有較強的相關性，利用多個基準站的觀測值就可以建立區域誤差模型，對區域內任意位置的誤差都可以根據模型計算出來，用戶就可以用經過誤差改正的觀測值得到高精度的定位結果。圖1為網絡RTK定位原理略圖。

圖1 網絡RTK定位原理略圖

3 網絡RTK在線路測量中的應用

公路、鐵路、渠道、輸電線路、輸油管道、輸氣管道等均屬于線型工程，它們的中線通稱線路。在勘測設計階段的測量工作，稱為線路測量。線路測量與施工建設階段及竣工階段所進行的測量工作，統稱為線路工程測量。線路工程測量的主要內容包括中線測量(包括曲線測設)、縱、橫斷面測量、帶狀地形圖測繪、線路土石方計算和施工測量。

在線路測量中，縱橫斷面測量工作占了很重要的地位，測定線路中樁處的地面高程，繪制縱斷面圖(profile)，為線路設計提供基礎資料。縱橫斷面測量其在本質上是放樣與測量的結合，首先需要確定理論斷面在實際地面的位置，然后獲取該位置的高程，確定斷面位置的過程即是放樣的過程，因此影響縱橫斷面測量精度取決于放樣和測量兩個方面的精度。對于一般的城市道路建設中，中樁間距一般取為 20 m，對于幾千米甚至更長的線路測量來說，縱橫斷面測量是具有較大工作量的一項工作，因此保證較高的工作效率和速度對于線路測量來說十分必要。

3.1 傳統線路測量方法

傳統線路測量方法主要利用全站儀或經緯儀等觀測儀器，采用距離交會法、直角坐標法、極坐標法等測設出縱斷面的位置。對于直線路段，橫斷面方向垂直于中心線的方向，要確定橫斷面的方向，首先要標定出公路中心線，一般用兩個中樁標定，在此方向上再找出垂直方向;另外一種方法是由橫斷面中樁的坐標，計算邊樁的坐標，外業放樣中樁和邊樁點，這兩點連線方向即為橫斷面方向。當線路的中線為圓曲線段或緩和曲線段時，其作業則較為復雜，需要根據圓曲線或緩曲線的特征值計算出弦切角等測設值，再根據測設值來確定橫斷面的方向，或者直接計算并出邊樁坐標，再將邊樁坐標測設出來來確定橫斷面的方向。確定橫斷面方向之后便可定出橫斷面上各變坡點與中樁點之間的水平距離和高差。

3.2 RTK技術在線路測量中的應用

相對于傳統的觀測儀器，網絡RTK實時快速獲取定位坐標的優點使得其在放樣測量中具備更好的操作性和更高的精度。應用于縱橫斷面測量的優越性:增加放樣的準確性、減少測量精度損失、使用方便、快速、單人即可作業。

通過長時間的實際應用表明，網絡RTK的優越性主要體現在:

(1)不受地形和通視條件限制:RTK利用衛星信號來定位，因而不受通視條件的限制。

(2)測設直觀方便、便于快速采集:利用RTK電子手簿的易植入軟件特點和友好界面性以及RTK實時定位功能，可以自編軟件利用導入數據和當前定位值實時獲取目標測設點的方位距離等信息，根據直觀的數據指示，可以快速定位測設出目標點。

(3)測設的準確性:由于RTK根據衛星數據和改正信息來實現實時定位，不同于全站儀、經緯儀等儀器存在測站積累誤差，能獲取更精確的斷面測量信息。

(4)單人即可作業:網絡RTK的基站布設在城市固定地點，應用RTK作業時，僅需攜帶流動站，加上電子手簿具備藍牙無線傳輸功能，單人作業非常方便，大大增加了作業靈活性和作業效率。

圖2為線路放樣交點要素輸入界面示意圖。

圖2 線路放樣交點要素輸入界面

4 應用RTK技術進行線路測量

4.1 長株潭GNSS CORS簡介

長株潭GNSS連續運行參考站系統(簡稱CZTCORS)于2007年5月開始建設，10月建成投入試運行，12月完成各項精度指標和性能測試，并通過湖南省測繪產品質量監督檢驗授權站的檢驗，投入正常運行。該系統由6個GNSS連續運行參考站和一個數據處理中心組成，數據管理中心位于長沙市勘測設計研究院辦公樓內，基站分布圖如圖3所示。系統采用美國Trimble公司的網絡RTK的虛擬參考站(VRS)技術。參考站接收機采用雙衛星系統接收機NetR5。接收機天線采用精密大地測量型天線。數據中心處理軟件采用Trimble公司提供的GNSSnet 21510(含RTKnet模塊)、GPStream軟件。項目獲2009年度湖南省科技進步三等獎。

圖3 長株潭CORS基站分布圖

4.2 RTK縱斷面測量精度分析

假定斷面坐標理論值為(XL，YL)，RTK測設值為(XRTK，YRTK)，全站儀測設值為(X全，Y全)，則全站儀測設值和RTK測設值與設計值距離差分別根據如下(1)式和(2)式計算:

為了比較傳統方法與網絡RTK方法測設中樁的精度，本文對某一線路段的中樁采用兩種方法分別進行了測設，將全站儀和RTK的中樁測設值按式(1)計算出了與設計值的距離差。圖4和圖5給出了的RTK和全站儀中樁測設值在樁號0+020～0+700與設計值的距離差曲線圖，圖6給出了RTK和全站儀中樁測設距離差隨不同距離差區段的分布變化圖，表1則列出了兩種方法的中樁測設值與設計值的距離偏差統計值。

圖4 RTK和全站儀中樁測設值與設計值的距離差曲線圖(0+020～0+340段)

圖5 RTK和全站儀中樁測設值與設計值的距離差曲線圖(0+360～0+700段)

圖6 RTK和全站儀中樁測設距離差隨不同距離差區段的分布變化圖

RTK和全站儀中樁測設值與設計值的距離差統計值 表1

從表4和圖5可以看出，RTK測設值與設計值距離差曲線多數情況下處于全站儀測設值與設計值距離差曲線的下方，圖6分布變化圖表明RTK測設值與設計值距離差主要分布集中于 2 cm～6 cm區段范圍，全站儀測設值 2 cm～10 cm的更大區段范圍，表1的數據也顯示RTK測設值與設計值距離差的平均偏差和標準差統計值均低于RTK測設值與設計值距離差的對應統計值。上述分析表明:RTK的測設結果要明顯優于全站儀的測設結果。

4.3 RTK橫斷面測量結果

為了直觀看出RTK測量橫斷面的準確性，本文根據兩個線路工程項目的RTK測量結果，繪制了設計斷面與RTK斷面測量點的測量位置比較圖，如圖7、圖8、圖9和圖10所示，其中圖7和圖8所在線路段為直線段，圖9和圖10所在線路段為曲線段。圖中實線表示設計斷面的位置，圓圈點表示RTK測量點的位置(為了保持圖形的清晰，點號沒有繪出)。

圖7 設計斷面與RTK斷面測量點的測量位置比較圖(0+700～0+820段)

圖8 設計斷面與RTK斷面測量點的測量位置比較圖(0+820～0+940段)

圖9 設計斷面與RTK斷面測量點的測量位置比較圖(0+340～0+480段)

圖10 設計斷面與RTK斷面測量點的測量位置比較圖(0+200～0+340段)

從圖7、圖8、圖9和圖10中可以很清晰地看出，無論線路走向是直線段還是曲線段，多數RTK斷面測量點與設計斷面線非常接近，符合程度非常好，這表明RTK的橫斷面測量結果能夠達到較高的準確性，能很好地滿足線路測量中橫斷面測量的要求。

5 總結與展望

綜上所述，采用網絡RTK技術所測的平面和高程都能達到較高的精度，中樁測設的精度明顯優于傳統測量方法，RTK的橫斷面測量也能達到較高的準確性，綜合其不受通視限制、采集快速、界面友好方便性、單人即可作業等優點，可以表明:網路RTK技術為城市線路測量工作的開展帶來了巨大的優勢，極大提升了作業方便性、作業效率以及作業準確性。但RTK仍不能完全取代傳統的儀器，這是由于當有高障礙物遮擋時，受到可用衛星數減少和衛星幾何結構減弱的影響，RTK仍然不易收斂。隨著伽利略衛星定位系統的建設和中國北斗系統的逐步投入運行，可用衛星數將得到增加，這一問題將不斷得到改善，網絡RTK的前景將更為巨大。

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