王文亮 郝 明 奚冠凡

摘要:隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷拓寬,在大地測(cè)量、工程測(cè)量、工程與地殼變形監(jiān)測(cè)、地籍測(cè)量、航空攝影測(cè)量和海洋測(cè)繪等各個(gè)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。GPS定位測(cè)量是對(duì)經(jīng)典測(cè)繪技術(shù)的一次跨越。文章分析了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)的原理、作業(yè)模式及其在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:RTK技術(shù);鐵路勘測(cè);GPS定位技術(shù);測(cè)繪技術(shù);載波相位差分技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào):P228文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)10-0036-02

一、概述

RTK技術(shù)又稱載波相位差分技術(shù),其實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至更高,現(xiàn)已成功應(yīng)用于鐵路勘測(cè)中。該技術(shù)不僅保留了GPS測(cè)量的高精度,而且還具有實(shí)時(shí)性。

二、RTK定位技術(shù)原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)稱RTK技術(shù),是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù),它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本思想是,在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī),對(duì)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè),并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶觀測(cè)站。用戶站上,GPS接收機(jī)在接受GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí),通過(guò)無(wú)線電接收設(shè)備接受基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù),然后根據(jù)相對(duì)定位的原理,實(shí)時(shí)的計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。

這樣,通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算的定位結(jié)果,便可檢測(cè)基準(zhǔn)站與用戶站觀測(cè)成果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況,從而可實(shí)時(shí)的判定解算結(jié)果是否成功,以減少冗余觀測(cè),縮短觀測(cè)時(shí)間。RTK測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功,為GPS測(cè)量工作的可靠性和高效率提供了保障,這對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與普及,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

三、RTK在鐵路測(cè)量中的作業(yè)模式

(一)RTK作業(yè)模式

1.快速靜態(tài)測(cè)量。采用這種測(cè)量模式,要求GPS接收機(jī)在每用戶站上,靜止的進(jìn)行觀測(cè)。在觀測(cè)過(guò)程中,連同接收到的基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)的解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)。如果解算的結(jié)果變化趨于穩(wěn)定,且精度以滿足設(shè)計(jì)要求,便可適時(shí)的結(jié)束觀測(cè)。采用這種作業(yè)模式時(shí),用戶站的接收機(jī)在流動(dòng)過(guò)程中,可以不必保持對(duì)GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤,其定位精度可達(dá)1～2cm。

2.準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。同一般的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量一樣,這種測(cè)量模式,通常要求流動(dòng)的接收機(jī)在觀測(cè)工作開(kāi)始之前,首先在某一起始點(diǎn)上靜止的進(jìn)行觀測(cè),以便采用快速解算整周未知數(shù)地方法實(shí)時(shí)的進(jìn)行初始化工作。初始化后,流動(dòng)的接收機(jī)再每一個(gè)觀測(cè)站上,只需靜止觀測(cè)數(shù)歷元,并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)的解算流動(dòng)站的三維坐標(biāo)。目前其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。

3.動(dòng)態(tài)測(cè)量。動(dòng)態(tài)測(cè)量模式,一般需首先在某一起始點(diǎn)上,靜止地觀測(cè)數(shù)分鐘,以便進(jìn)行初始化工作。之后,運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)按預(yù)定的采樣時(shí)間間隔自動(dòng)地進(jìn)行觀測(cè),并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)的確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前,其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。這種測(cè)量模式,仍要求在觀測(cè)過(guò)程中,保持對(duì)觀測(cè)衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。一旦發(fā)生失鎖,則需重新進(jìn)行初始化。

(二)建立平面控制網(wǎng)

在鐵路勘察設(shè)計(jì)中,鐵路定測(cè)是一項(xiàng)很重要的工作內(nèi)容,在鐵路定測(cè)過(guò)程中,測(cè)量的主要工作是進(jìn)行交切測(cè)量、中線測(cè)量、中樁高程測(cè)量、斷面測(cè)量、跨線測(cè)量、橋涵測(cè)量等工作。在放樣中線之前,首先要采用靜態(tài)測(cè)量方法沿線布設(shè)平面控制網(wǎng),經(jīng)過(guò)嚴(yán)密平差解算,求出各控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)與高程。相鄰點(diǎn)間間距5～8km,并與國(guó)家點(diǎn)聯(lián)測(cè),求出各控制點(diǎn)平面坐標(biāo)。這里需要考慮投影變形的影響。變形的程度與測(cè)區(qū)地理位置和高程有關(guān),鐵路線路短則數(shù)十公里,長(zhǎng)則上千公里,跨越范圍廣,線路走向、地形情況千差萬(wàn)別,長(zhǎng)度變形各不相同。在3°投影帶的邊緣,長(zhǎng)度變形可達(dá)1/3500以上,導(dǎo)致中線樁由圖上反算的放樣長(zhǎng)度與實(shí)地測(cè)量長(zhǎng)度不一致,無(wú)法滿足放樣要求。因此,必須采取相應(yīng)的措施消弱長(zhǎng)度變形,如設(shè)置抵償投影面等方法。

(三)高程控制測(cè)量

GPS測(cè)出的高度是大地高,而實(shí)際采用的是正常高,需要將大地高轉(zhuǎn)化為正常高。而測(cè)區(qū)的高程異常是未知數(shù),且高程異常的變化較復(fù)雜,特別在山區(qū)精度較差。近幾年來(lái),隨著高程擬合方法的逐步應(yīng)用,在地形變化不大的平坦、半丘陵地區(qū),已經(jīng)可以將RTK高度值進(jìn)行處理來(lái)得出正常高。此外,鐵路新線定測(cè)要求約每隔2km設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn),而有些地形環(huán)境不能滿足GPS觀測(cè)的條件,采用高程擬合的方法擬合的高程精度不能得到保證。完全用GPS替代等級(jí)水準(zhǔn)難度大。因此要結(jié)合測(cè)區(qū)具體情況,確定要采用的方法。

(四)外業(yè)施測(cè)

選點(diǎn)并埋設(shè)標(biāo)石之后,在基準(zhǔn)點(diǎn)上架設(shè)接收機(jī),開(kāi)機(jī)后進(jìn)行必要的系統(tǒng)設(shè)置、無(wú)線電設(shè)置及天線高等輸入工作。流動(dòng)站接收機(jī)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置,輸入轉(zhuǎn)換參數(shù),再進(jìn)行流動(dòng)站的設(shè)置和初始化工作。通常公布的坐標(biāo)系統(tǒng)和大地水準(zhǔn)面模型不考慮投影中的當(dāng)?shù)仄?因此要通過(guò)點(diǎn)校正來(lái)減少這些偏差,獲得更精確的當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格坐標(biāo),且確保作業(yè)區(qū)域在校正的點(diǎn)范圍內(nèi)。對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、處理與量測(cè),以獲得所需要的定位信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)。

四、RTK在鐵路測(cè)量中的具體應(yīng)用

RTK擁有高精度、高效率和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn),在各種工程測(cè)量工作中得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),隨著各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步與完善,RTK在鐵路測(cè)量中也可以完成各種工作。

(一)工程控制測(cè)量

用GPS建立控制網(wǎng),理論精度最高的方法是靜態(tài)測(cè)量。對(duì)于大型建筑物,如特大橋、隧道、互通式立交等進(jìn)行控制,適合采用用靜態(tài)測(cè)量。而一般工程的控制測(cè)量,則可采用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量。這種方法在測(cè)量過(guò)程中能實(shí)時(shí)獲得定位精度,大大提高了作業(yè)效率。由于點(diǎn)與點(diǎn)之間不要求必須通視,便得測(cè)量工作更簡(jiǎn)便易行。

(二)繪制大比例地形圖

等級(jí)高的鐵路選線多是在大比例尺(通常是1:2000或1:1000)帶狀形圖上進(jìn)行的。用傳統(tǒng)方法測(cè)圖,先要建立控制網(wǎng),然后進(jìn)行碎部測(cè)量,繪制成大比例尺地形圖。其工作量大速度慢,花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。然而,用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量,測(cè)得碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù),在室內(nèi)即可由繪圖軟件成圖,由于只需要采集碎部點(diǎn)的坐標(biāo)和輸入其屬性信息,而且采集速度快,大大降低了測(cè)圖的難度,既省時(shí)又省力。

(三)鐵路中線測(cè)設(shè)

設(shè)計(jì)人員在大比例尺帶狀地形圖上定線后,需將鐵路在地面標(biāo)定出來(lái)。采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量,只需將中線柱點(diǎn)的坐標(biāo)輸入GPS接收機(jī)中,系統(tǒng)就會(huì)定出放樣的點(diǎn)位。由于每個(gè)點(diǎn)位的測(cè)量都是獨(dú)立的完成的,不會(huì)產(chǎn)生累積誤差,各點(diǎn)放樣精度趨于一致。同時(shí),GPS接收機(jī)只需在小范圍內(nèi)無(wú)遮擋,保證信號(hào)接收,就能滿足中線測(cè)設(shè)要求,特別在山區(qū)中線測(cè)設(shè)中可大量減少轉(zhuǎn)點(diǎn)和砍伐樹(shù)木工作,節(jié)省大量的人力,提高測(cè)量進(jìn)度。

(四)鐵路縱、橫斷面測(cè)量

鐵路中線確定后,利用中線樁點(diǎn)坐標(biāo),通過(guò)繪圖軟件,即可給出路線縱斷面和各樁點(diǎn)的橫斷面。由于所用數(shù)據(jù)都是測(cè)繪地形圖時(shí)采集來(lái)的,因此不需要再到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面測(cè)量,從而大大減少了外業(yè)工作。如果需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)斷面測(cè)量時(shí),也可采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量。與傳統(tǒng)方法相比,在精度、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性各方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(五)施工測(cè)量

實(shí)時(shí)GPS系統(tǒng)既有良好的硬件基礎(chǔ),也有極豐富的軟件可選擇。施工中對(duì)點(diǎn)、線、面以及坡度等放樣均很方便、快捷,精度可達(dá)到厘米級(jí)。

(六)變形觀測(cè)

利用實(shí)時(shí)GPS動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)具有毫米級(jí)的精度,比一般工程控制網(wǎng)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)踐表明,如果用較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間,分幾個(gè)時(shí)段進(jìn)行觀測(cè),并采取強(qiáng)制對(duì)中,觀測(cè)時(shí)天線指北等措施,長(zhǎng)度不超過(guò)4km的基線向量可達(dá)到2～3mm的精度。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著RTK技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,以及各種儀器的性能越來(lái)越高,能夠大大的縮短工作時(shí)間以及減少工程量,并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件,很大程度上減輕了工作人員的內(nèi)業(yè)工作。從而大大的提高了鐵路測(cè)量工作的效率,縮短了整個(gè)勘測(cè)周期。因此,RTK技術(shù)必將有很廣闊的前景。

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作者簡(jiǎn)介:王文亮,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院學(xué)生,研究方向:測(cè)繪工程。