GPS-RTK技術在道路工程測量中的實踐分析

李昆

（江西省地質局物化探大隊，江西南昌330000）

1 GPS-RTK 系統的組成、工作原理及誤差來源

全球定位系統(GPS)由1 組衛星和1 個地球觀測系統組成。用戶還必須擁有衛星接收設備。GPS 衛星系統由24 顆衛星組成，高度約為20000km，均勻分布在6 個軌道平面上。每個平面的交角為60o，軌道與赤道的傾角為55o，衛星自轉周期為11 小時58 分鐘，保證4～11 顆衛星同時在地平線之上，可以隨時隨地獲取數據。GPS 地面控制系統由1 個主控站、3 個注入站和5 個監測站組成。主控站根據各站GPS 監測數據計算出衛星星歷和衛星時鐘校準參數，并通過注入站將這些數據注入衛星，同時對衛星進行監測并發送指令。

GPS-RTK 技術是一種基于載波相位測量的實時差分GPS 測量技術，它結合了載波相位測量和數據傳輸技術。GPS-RTK 技術是GPS 測量技術發展歷程的標志，也是一種學術性的定位技術。兩個或多個GPS接收器用于同時接收衛星信號，一個放置在稱為參考站的坐標點，另一個用于確定未知點（移動站）的坐標。參考站根據該點的精確坐標計算與衛星距離的修正數，并將其發送到移動站。移動臺根據修正數對定位結果進行修正，可以大大提高定位精度。它為站點的特定坐標系提供實時3D 定位結果，可達到厘米級精度。GPS-RTK 技術定位誤差一般分為兩類：硬件干擾誤差、距離誤差。硬件干擾誤差包括天線相位中心、多徑誤差、信號干擾和氣象因素。距離誤差包括軌道誤差、電離層誤差和對流層誤差。對于固定參考站，可以進行各種修正以減少設備相關的誤差和干擾，但GPS-RTK 的有效工作半徑是有限的（通常為幾公里）。因為與距離相關的誤差隨著距離的增加而增加，移動站與參考站之間的距離也增加。許多與距離相關的誤差可以通過多參考技術消除。

2 GPS-RTK 的技術特點

在正常地形下，高質量的GPS-RTK 技術可以測量一個半徑為4km 的區域，大大減少了日常調查所需的參考點和測量儀器的數量。移動臺可單人操作，勞動強度低。工作速度快，工作效率高。只要滿足GPS-RTK 技術的基本條件，在一定的工作半徑（通常為4km）內，GPS-RTK 的平整度、精度和高距離精度都可以達到厘米級。GPS-RTK 測量不需要參考站和移動站之間的視野，只需要電磁視野。因此，與之前的測量相比，GPS-RTK 測量受能見度、天氣和季節性條件的影響和限制都很低。只要滿足GPS-RTK 基本的運行條件，就可以實現高速度、高精度的定位，測量過程變得更加容易。GPS-RTK 是一種不同類型的調查，它可以在戶外工作。移動臺采用軟件控制系統，自動實現各種測量功能，無須人工干預，減少了額外的測量工作和人為誤差，保證了操作的準確性。現有設備一般可以在安裝過程中通過簡單的調整，輕松獲得二維坐標。它具有強大的數據輸入、存儲、處理、轉換和輸出功能，可以方便地與計算機等測量儀器進行通信[1]。

GPS-RTK 測量技術主要來源于載波相位，將載波相位的觀測值與相應的數據傳輸技術有效結合，實現相關數據的動態測量、采集和傳輸。該技術彌補了GPS 技術在靜態測量期間，無法及時交換信息的不足。具有整體測量精度高、自動化程度高、集成度高、操作方便等優點。GPS-RTK 系統大致分為三個部分：一是基站的中心部分，用于接收數據信息和協調系統；二是數據通信鏈路，主要功能是傳遞信息；三是對相關數據進行移動監測的移動站，可以使用其他軟件來處理相關的測量數據，但必須滿足實際需要，主要是坐標系與遠距離系的轉換功能、繪圖功能、支付質量狀態分析、接收方坐標計算，對應結果的表達等。

3 GPS-RTK 技術的局限性和精度保障

當然，GPS-RTK 技術也有局限性，影響其執行上述測量的能力。了解這些限制可以確保GPS-RTK 調查成功。最大的限制是GPS 系統作為一個整體，而不是GPS-RTK 本身。 如上所述，GPS 依賴于從20000km 以外的衛星接收無線電信號，這些信號頻率高，信號弱，難以穿過衛星和GPS 接收器之間的障礙物。事實上，GPS 接收器和衛星之間的任何東西都會對系統的運行產生不利影響[2]。

4 GPS-RTK 技術在實際測量中的應用

4.1 在大比例尺地形圖繪制中的應用

該項目的地形圖以1∶1000 的比例繪制。使用GPS-RTK 測量技術時，首先要選擇一個測量點。一旦滿足使用要求，使用該技術測量對象上每個點的三維坐標并嵌入測量后代碼，繪制帶有功能信息的地形條形圖，使最終測量結果一目了然，最后通過專門的計算機圖形軟件顯示。從大型條紋地形圖（通常比例為1∶2000 或1∶1000）中選擇高質量的道路路線。傳統的測繪方法勞動強度大、速度慢、耗時長，首先需要建立控制網，其次進行詳細測量，最后才能繪制大比例尺的地形圖。使用動態實時GPS 測量訓練斷點數據，可以使用內部繪圖軟件進行繪圖。由于只采集斷點坐標，輸入屬性信息，采集速度快，大大降低了繪制難度，節省了時間和精力。

靜態縮放是使用GPS 創建控制網絡最準確的方法。固定比率最適用于控制大型建筑物，如大型橋梁、隧道和十字路口。在一般道路技術控制措施中，可以使用GPS-RTK 動態冠輪。該方法在測量過程中實現了實時定位精度。當達到要求的點精度時可以停止監控，大大提高了工作效率。因為不必在點之間查看，使測量變得更容易。道路選擇過程往往遵循勘察設計規范，以盡量減少占用耕地、減少房屋拆遷和使用舊路平臺為原則。為正確設計道路路線，滿足設計要求，GPS-RTK 技術允許用車載GPS-RTK 接收機作為移動站，沿道路中心線以特定間隔采集數據，形成原始路線。另外以“已知點是參考點”，當遇到一個重要的地方時，它會將數據發送到計數計算器。用AutoCAD 在電腦上確定路線非常方便，設計者在大比例尺的地形圖上畫線后，需要從地面確定道路的軸線，得到坐標和坐標文件。只要將航點的坐標和坐標文件輸入電子GPS 指南中進行測量，系統軟件就會自動識別這些點的關鍵樣本點。由于每個點都是獨立測量的，所以沒有累積誤差，每個點的采樣精度趨于相同。

4.2 在道路中線放樣中的應用

大地形圖繪制完成后，需要標記道路的中心線。在具體的應用過程中，利用GPS-RTK 技術對各種中樁點的坐標進行統計工作，實時測量，由計算機識別并顯示采樣點的位置。在這個過程中，每個參與測量的部件都是獨立的，最大限度地減少了誤差。本例中幾何測量線多為曲線，直線很少，需要有效控制終點和起點的方位角，即感興趣點的輸入相位，以保證興趣點[3]。

4.3 在土石方和道路斷面放樣中的應用

在連接縱截面的過程中，需要準確記錄試驗數據，并輸入相應的計算機，創建監測點記錄，可隨時作為參考，提供現場測量幫助。在橫斷面放樣的過程中，確保建筑模型和相關數據可以同時輸入，數據與實際情況相符，妥善保存，以供現場測量使用。另外，利用軟件和地面銜接的功能進行，按照剖面法準確計算開挖量。整個測量的數據基于測繪地形圖的性能，減少了測控過程中不必要的程序和外部操作的工作量，提高了工作效率。最終審核流程使用GPS 完成，節省測繪的時間。

在大條形地形圖上放置線條后，設計師必須校準地面布局。對于動態GPS 測量，系統只需將中心線上關鍵點的坐標輸入GPS 接收器即可確定監測點。一旦確定了高速公路的中心線，樁中心點的坐標和繪圖軟件就可以用來提供軌道的輪廓和樁點的每個部分。使用的所有數據都是在地形測量期間收集的，無須到現場進行垂直和水平測量。因此，現場工作大大減少。如果需要在野外進行橫截面測量，也可以使用動態GPS 測量。與傳統方法相比，該方法在精度、經濟性和實用性方面具有明顯優勢。動態GPS 擁有強大的硬件和豐富的軟件。施工過程中點、線、面、坡的觀察非常方便快捷，精度可達1cm。通過動態GPS 測量技術的不斷發展和完善，將充分利用該技術的高精度和高效性，在高速公路的開發建設進程中發揮更加重要的作用。

5 結語

綜上所述，GPS-RTK 測量技術精度高，測量過程簡單高效，對一些地形環境復雜的地區具有很強的適應性，因此其適用范圍不斷擴大。為了達到該技術的效果，必須根據實際情況設置待測點，具體操作必須嚴格按照要求進行。該測量設備具有優良的性能和實用價值，可以充分發揮GPS-RTK 的技術優勢，提高測量水平。