RTK技術在鐵路工程測量中的應用

姚源嘉

南昌鐵路天河測量技術股份有限公司，江西 南昌 330002

現階段，全球定位系統實時動態RTK技術憑借自身多項優勢，在測量工作中得到了普遍應用，項目實踐精度有效提升。鐵路測量工程包含多項細碎化測量內容，精準度要求較高，將RTK技術應用于鐵路測量，可有效保證測量精度可靠性，促進鐵路測量工作的持續性發展。

1 鐵路工程測量中RTK技術的原理

傳統測量方式均需通過事后解算獲取厘米級精度，而RTK作為一種新型GPS測量方式，可野外實時獲取厘米級定位精度，依托載波相位動態實時差分方法，是GPS應用里程碑標志，該技術的興起為工程放樣、地形測圖等提供了新的方向，提高了測量效率。RTK技術主要是建立在實時處理兩個測站載波相位層面上，實時輸送觀測點三維坐標，并保證測量精度實現厘米級。通常RTK測量系統由三大模塊構成，即GPS接收設備、數據傳輸系統和實施動態測量軟件。RTK技術工作原理是，將一臺接收機安設于基準站上，另一臺或其他幾臺布設于流動站上，基準站與流動站處于相同時間，獲取同一衛星發射的信號，基準站實時將測量載波相位觀測數值、基準站坐標等數據通過無線電傳輸至流動站，流動站及時收取基準站傳輸信息，對載波相位觀測值進行差分，最終獲取基準站和流動站基線向量，然后通過基線向量與基準站坐標之和，獲取流動站各個坐標值，最終通過轉換明確流動站坐標值[1]。

基準站與流動站的相互關聯性體現在，基準站計算調整之后將數據輸送至流動站，該過程目標的實現主要借助于數據鏈，單基站RTK數據鏈由兩部分構成，即調制調器、電臺。其中，前者的核心目標是將改正數進行編碼和調制，之后輸送至電臺中發射，流動站及時接收其相關數據，并將數據解調之后傳輸至GPS接收機進行改正；后者是將調整之后的數據以電磁波形式輻射，可在特定范圍內提供信號，保證流動站接收信息的可靠性。

用戶站發送和接收差分改正、原始數據觀測等，可選用多種方式實現，RTK地面通信鏈依附于業余無線電、蜂窩通信網絡、數字集群系統等，其傳輸速率不一。衛星定位靜態測量數據處理應用中，核心目標是基線向量的求解，因此計算程序布設是通過三差確定相似基線長度，通過浮動雙差法解除相位模糊度及基線矢量，待相位模糊度湊整之后，極端固定雙差，最終解出基線向量。衛星定位動態應用中，RTK數據處理屬于單基線處理過程，選取基準站和流動站載波相位觀測差分數，組合新的載波相位，其中將流動站未知坐標視為隨機參數，載波相位整周模糊度是非隨機參數進行求解。

2 鐵路工程測量中RTK技術的優缺點

2.1 RTK技術優勢

（1）RTK作業自動化、集成程度高，測繪功能優良。RTK技術可應用的測繪領域范圍較廣，滿足測繪內、外作業測量要求，流動站內使用內裝式軟件，可自行實施各類測量功能，無須人工干預，能將專業人員從煩瑣復雜的工作中解脫出來，減小由于人為操作形成的誤差，進而提升測量作業精準度。（2）降低作業條件。RTK技術僅要求滿足兩點間對天基本通視、電磁波通視即可，在光學通視上并無過高要求。因此，與傳統測量技術相較，RTK技術實施受外界影響因素干擾較少，如通視條件、氣候等，有效突破了傳統測量技術的局限性。基于傳統測量技術層面，在地形復雜、障礙物較多的難通視區域內，僅需滿足RTK技術應用基本條件，便可實現高精準度的測量作業。（3）定位精度高、數據安全可靠，不會產生誤差積累。以全站儀為代表的測量儀器經過多次搬動移動之后，均不同程度存在誤差累積，移動次數與累積誤差成正相關；而RTK并不會產生此類作業瓶頸，只要滿足RTK基本工作條件，處于作業半徑范圍內，RTK技術測量的平面和高程精度可實現厘米級別。（4）測量作業效率高。在一般地形條件下，高質量的RTK測設站可一次性測量半徑為10km的測區，有效減少傳統測量方式下需布設多個控制測量點和搬運儀器的問題，僅需一人便可完成測量操作。一般電磁波環境下獲取一個具體點位實際坐標，僅需幾秒鐘便可完成，作業速率較快，勞動強度較低，能在加快測量速率的基礎上，降低測量成本支出。（5）操作便捷、數據處理能力強。測繪RTK基準站無需進行任何布設，移動站可移動獲取測量結果，數據收集、存儲及處理能力強，短時間內與計算機連接，能實現數據共享，另外，測繪軟件使用知識及流程簡單易掌握[2]。

2.2 RTK技術缺點

即便RTK技術擁有其他儀器無法比擬的優勢，但其在鐵路測量工程上的實踐表明仍存在以下不足。

（1）受衛星狀況限制。隨著用戶實際需求的日漸提高，GPS衛星空間構成和衛星信號強度均難以滿足實際所需。譬如在中、低緯度地區存在兩次盲區，一般每次持續時間在20～30min，處于盲區內的衛星幾何圖形結構強度低，RTK測量難以實現固定解，以及在信號強度較弱，對空遮擋較為嚴重的區域，GPS無法正常工作。（2）受電離層影響。通常在白天中午時間段，受電離層干擾較大，共用衛星數量較少，因而初始化時間較長，無法進行實際測量。根據實際調研測量，每天12：00—13：00，RTK測量難以獲取固定解。（3）受數據鏈電臺傳輸距離干擾。數據鏈電臺實際數據傳輸過程中，易受外界環境干擾，如建筑物等，導致外業精度及測量范圍不準確。此外，RTK實際測量作業超出特定距離時，測量誤差會超限，因此RTK實際作業半徑小于有效半徑。（4）受高程異常問題影響。RTK測量工作模式要求高程轉換應具備良好的精確性，我國部分區域內轉換存在一定誤差，精度分布缺乏均勻性，最終影響RTK高程測量的精度。

3 RTK技術在鐵路工程測量中的實際應用

3.1 基站設備

依照鐵路工程測量相關規定，工程路線周圍應布設超過18個控制點，并將其作為GPS基準站。布設平面控制點時，建議以C級靜態相對測量精度為標準，對其進行系統性測量，GPS接收機通過不斷切換模式，實現靜態GPS切換功能，并將三等精度作為測量標準，聯測水準的高程。

3.2 確定坐標轉換參數

鐵路工程測量具有一定的復雜性，利用傳統測量方式難以滿足測量精確度較高的要求。因此，應用RTK測量技術，聯合與之匹配的各類儀器進行測量，在確定坐標轉換參數的過程中，可通過以下兩種方式實現：第一，在鐵路工程測量現場使用。實際測量中需從原有平面控制點中選取3個具有高程的控制點，并將相對應的坐標輸送至測量控制器內部，之后逐項對每個控制點以5min為時間間隔進行定位測量，待全部完成之后，通過內部控制器軟件自行生成相應的坐標轉換參數。選用此種方式，可保證參數轉換的可靠性，但需耗損較長時間，在鐵路工程測量中應用的可行性較低。第二，利用點校正方式存留轉換參數。實際測量過程中需特別注意的是，無須每次逐個調整控制點。該方式不僅可保證參數計算的精準度，而且計算速率較快，可滿足鐵路工程測量的實際要求[3]。

4 使用RTK技術進行分項測量

4.1 普通控制測量

實際鐵路項目測量過程中，充分應用RTK技術先進性，對已知路控制點以及利用相對靜態加密的控制點，實現全周期實時跟蹤觀測，觀測時間控制在3～5min。為保證全站儀滿足鐵路工程測量實際要求，應加密部分測設控制點。

4.2 定線與放樣

鐵路工程測量過程中，在放樣與定線之前，應將線路輸入相關細節錄入相關控制器內，并在此基礎上自行生成相應的線路圖，如此可保證實際作業中控制器實時對其工作狀況進行監測，以此明晰觀測點內實際歷程及偏移距離，為放樣和定線提供基礎保障。

4.3 對地形進行測繪

利用RTK技術對地形進行測繪的過程中，為進一步提高測量工作的實際效率，可選用多小組同時測量方式。然而，鐵路工程部分測量區域地形較為復雜，會對GPS信號造成一定的干擾，影響最終地形測繪成效。因此，為解決上述測量瓶頸問題，可選用全站儀和RTK技術聯合的方式解決復雜條件下的地形測繪問題。

4.4 橫斷面與縱斷面測量

通常鐵路工程測量中包含多個復雜項，均需測量，如隧道、橋梁以及路基等，且此類工程測量精度要求較高，在施工時間緊張的條件下，會增加測量作業實施難度。選用RTK技術應用橫斷面與縱斷面測量，主要流程是待其中線確定之后，利用中線樁點坐標，使用繪圖軟件，可短期內完成路線的縱斷面以及各樁點橫斷面測量。因為實際所需數據均是繪制地圖時采集，所以無須再次進行現場實際測量，以有效降低各類資源耗損。

5 結束語

RTK技術的誕生為測量作業提供了新的發展方向，其集成了多項先進技術，能實現厘米級實時定位，成功將測繪領域應用從單純控制測量擴展至常規工程測量中，其仍存在較大的挖掘空間，與GIS集成、綜合自動化是未來發展趨勢，具有廣闊的應用前景。