GPS-RTK技術在鐵路測量中的應用

宋 蕾

（中鐵港航局集團 第二工程有限公司，廣東 廣州510800）

0 前言

傳統的GPS測量方法，無論是從動態還是靜態方面，其cm的精準度均需要在完成測量后進行相應的解算。由于采用了實時動態差分法，因此能夠實現在野外也能對定位精度進行準確測量，其測量精準度能夠明確到厘米以上。RTK技術的出現為各類測量控制工作指引了發展的方向，促使野外作業效率得到顯著提高，因此，已廣泛應用于鐵路測量中。

1 RTK技術的特點

1.1 RTK的硬件條件及軟件環境

RTK技術作業的設備配置應滿足：GPS接收機及控制器2臺、電源設備套以及電臺1套。

目前應用最為廣泛的數據處理軟件有天寶公司的Trimble Geomatics Office、萊卡公司的SKY-PRO等[1]。RTK技術通常會要求軟件具有對載波相位觀測值進行實時求解的功能，并且需要依照相關參數與基準站位置對基準站的相對坐標進行求解。RTK還需具有基線解算、參數求解及數據的編輯及上傳等多方面功能。

1.2 RTK的數據處理方法

1.2.1 整周未知數的搜索

RTK的數據處理完全是在控制器內進行操作。RTK將卡爾曼濾波技術作為原理對各個歷元的觀測值進行數據處理。 RTK數據處理工作的重點是迅速解出整周未知數。較為常見的搜索方法包括：消去法；模糊度函數法與優化Cholesky分解法等。其中優化Cholesky分解法所采用的是以現今時刻為終點的全部歷元觀測值，并且會相應地進行觀測值的追加，因此，與其它方式相比較而言，優化Cholesky分解法具有較好的搜索效果。

1.2.2 地心、地方坐標之間的轉換

通過GPS測量方法得到了7個不同的參數，如果想要將所有參數全部解出，則需要明確知道其中3個參數的值。求解7個參數的最低標準是已知3個值，如果已知數大于3，那么應該每次選取3個點進行其它參數的求解。之后通過多次比較，將具有較小可能的參數值進行剔除。幾個已知參數的位置應該是有規律地分布在測量區附近的，在進行作業時，將其中的一個參數作為基準點，其余的地方性坐標通常為國家坐標點。數值計算是在投影面上進行的，之后再以平面坐標輸出。

GPS計算的坐標是位于84坐標系下，我們通常采用的是北京54坐標系下的。依照之前求解出的3或7個參數值進行坐標系的成功轉換。但要注意的是，此種轉換參數只能用于圈定區域及其周邊，外推精度值與內插相比偏低。

1.3 影響RTK精準度的因素

一般情況而言，會對RTK測量精度造成一定影響的主要因素為偶然及系統誤差。由于已知點精度、對中誤差以及基線解算精度等影響，RTK技術在實際應用時，基線解算精準度達10cm+1ppm；而基準站的精度范圍為3cm。動態作業由于測距偏心，天線高誤差等一般也在3cm以內，至于正常高擬合與內插精度取決于聯測點數目與分布、擬合模型等，一般在5-10cm內是能夠做到的[2]。RTK的測量精準度能夠達到cm級甚至以上，能夠達到鐵路測量工作的標準。

2 GPS-RTK技術在鐵路測量中的應用

2.1 測區平面控制網

在對鐵路進行研究設計過程中，有一項關鍵性的工作便是鐵路的定測。鐵路定測工作主要包括交切測量、跨線測量以及中線測量等。在對鐵路的中線進行放樣工作之前，應先采用傳統的GPS測量方法，沿線路鋪設平面控制網，在進行解算后，將各點的平面坐標進行求解。兩個相鄰點之間的距離應控制在5至8km以內，同時與國家點進行聯測，求出各點坐標，并且需考慮到平面投影變形的情況。測量區的位置會對投影的變形度造成直接影響，而鐵路的全程線路又長短不一，所涉及的地域范圍較廣，不同線路的整體走向與其經過的地形也各不相同，因此變形的情況也存在著一定差異。在投影帶的邊緣位置，其變形程度為1/3 500以上，致使放樣長度與實際長度之間存在差異，達不到放樣標準。因此，應盡快采取如改變中央子午線等相應的解決措施，以此改善長度變形情況。

2.2 繪制大比例地形圖

多數高等級的鐵路選線是利用大比例變形圖幫助完成的。在傳統的測量方法中，是先建立全面控制網，之后再逐步進行分階段測量，最終繪制出大比例的地形圖。但傳統的測量方法工作量偏大，且工作效率偏低，耗費了大量的人力與物力。但是，運用GPS-RTK技術進行鐵路測量，將碎部點數據進行測量明確后，便可及時地繪制出軟件圖。在此過程中，只需掌握碎布點的實時坐標以及屬性即可，因此測圖難度得到大幅度降低，工作量相應減少，避免了人力資源的浪費。

2.3 鐵路中線及邊坡的放樣

將GPS-RTK應用到鐵路的中線及放樣工作中去，能夠有效節省人力資源，只需1人便可完成整項工作。將線路參數如線路起點終點坐標、曲線長度，轉角、半徑、線路斷面數據，邊坡坡度等輸入RTK的外業控制器，即可放樣[3]。此種放樣方法簡便且靈活，能夠實現樁號與坐標放樣的實時轉換。在放樣過程中，如果出現方位偏移的現象，在屏幕上會直接顯示，并用箭頭標出，以便于人為的更改。每個點的測量均是分開進行，因此不會出現較大范圍的測量誤差。GPS接受器的對于信號的接受并沒有較大難度的限制，只需保證較小范圍內的無遮擋，因此，無需對遮擋信號的樹木進行砍伐，在加快測量速度的同時完成了對環境的保護。在進行放樣工作時，為了盡量降低出現誤差的概率，應固定范圍地對坐標數據進行校正，及時解決其中出現的問題。

2.4 鐵路縱、橫斷面的測量及變形觀測

在明確鐵路線路的中線后，依照中線中的樁點目標與繪圖軟件便可得出具體的鐵路縱、橫斷面數據。其中所運用的數據均是通過采集得到，因此不必深入現場進行縱、橫斷面的測量，有效提高了工作效率。如遇到必須進行現場測量的情況，便可采用實時GPS測量方法。GPS-RTK與常規的測量方法進行比較，不僅更加經濟實用且精準度也得到了顯著提高。

通過大量的實踐證明，如果變形觀測的時間偏長，應采用分階段進行觀測的方式，并強制對中，長度在4km以內的基線向量能夠達到2mm至3mm的精準度。

3 結語

現如今，GPS-RTK技術已在我國鐵路建設中得到廣泛的應用，其與常規的測量方式相比，能夠有效提升測量工作效率并得到較高的精度。科學技術的不斷發展，促使測量工作的方式手段也開始逐步發生轉變，測量數據精度及方式的創新幫助提高了我國鐵路建設的工作水平與質量，利用相關的數據處理技術，能夠在減輕工作人員工作壓力的同時，提升其效率，因此，GPS-RTK在今后具有較為廣闊的發展前景。

［1］劉全恒.GPS-RTK 技術在鐵路測量中的應用[J].硅谷，2011(5)：81-119.

［2］王梓曳.淺談GPS-RTK技術在鐵路測量中的應用[J].華章，2010(3)：157-160.

［3］何存見，歲有中，張新霞，郝永青.RTK在鐵路測量中的應用[J].測繪與空間地理信息，2010（8）：112-113.