安治國，陳胤璇，陳金龍，張龍飛（解放軍61243部隊(duì)，甘肅　蘭州730020）

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實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS在公路勘測(cè)中的應(yīng)用研究

安治國，陳胤璇，陳金龍，張龍飛
（解放軍61243部隊(duì)，甘肅蘭州730020）

摘要：介紹了GPS-RTK基本原理，闡述了其在公路測(cè)量中的優(yōu)越性，通過實(shí)例分析了GPS-RTK技術(shù)在公路測(cè)量中的精度高、高效性等特點(diǎn)，展望了其巨大的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：GPS-RTK；放樣；勘測(cè)

1　概述

全球定位系統(tǒng)以其高效、精度高、測(cè)量簡單而備受推崇，它是目前測(cè)量中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。隨著處理軟件的不斷革新，GPS在公路測(cè)量中也得到了廣泛的使用。傳統(tǒng)公路施工測(cè)量步驟及其存在一定的問題：施工單位進(jìn)場(chǎng)后，對(duì)業(yè)主提供的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)、加密，成果報(bào)監(jiān)理部門批準(zhǔn)后，施工單位才可對(duì)公路中樁和邊線放樣，在整個(gè)施工過程中，施工單位要不斷地對(duì)公路中樁和邊線復(fù)測(cè)檢核，防止欠量或超量，造成不必要的損失，每一施工階段結(jié)束后，要進(jìn)行階段性竣工測(cè)量，接受業(yè)主的驗(yàn)收。施工單位傳統(tǒng)上都習(xí)慣用全站儀、水準(zhǔn)儀對(duì)整個(gè)施工過程進(jìn)行監(jiān)控，這是因?yàn)槿緝x原理和技術(shù)普遍被測(cè)量人員熟知，且由于價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用在各類測(cè)繪當(dāng)中。但由于在施工線上往往有很多樹林、水域、居民區(qū)，而業(yè)主提供的控制點(diǎn)又都是相隔3～5km的GPS點(diǎn)，彼此很少通視，這給用全站儀的用戶帶來很多煩惱，他們不得不多加密幾個(gè)支導(dǎo)線點(diǎn)，不厭其煩地搬站、架儀器、后視、指揮鏡站。同時(shí)也帶來了精度的損失。用全站儀放樣時(shí)，是山測(cè)站指揮鏡站到相應(yīng)的樁號(hào)或斷面，速度極慢，距離遠(yuǎn)時(shí)，還會(huì)帶來信息交流上的障礙，因此動(dòng)態(tài)GPS尤其是GPS-RTK技術(shù)在公路測(cè)量尤其明顯的優(yōu)勢(shì)。

2　GPS-RTK基本原理及其工作流程

2.1GPS-RTK的工作原理

GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)是以載波相位觀測(cè)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)。它的基本形式是一臺(tái)基準(zhǔn)站和一臺(tái)或多臺(tái)流動(dòng)站，以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ嶋娕_(tái)。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站要保持同時(shí)跟蹤至少5顆GPS衛(wèi)星，基準(zhǔn)站不斷的對(duì)可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，并把帶有已知點(diǎn)位信息通過電臺(tái)發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站將自己收到的衛(wèi)星信號(hào)連同接收到的基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)組成差分觀測(cè)值實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，解算出流動(dòng)站的瞬時(shí)三位空間坐標(biāo)。

2.2RTK作業(yè)模式的基本流程

RTK測(cè)量前首先要進(jìn)行必要的坐標(biāo)系匹配，取測(cè)區(qū)有代表性且能覆蓋測(cè)區(qū)的控制點(diǎn)，其總數(shù)應(yīng)大于3個(gè)，且它們具有國家坐標(biāo)系坐標(biāo)或地方坐標(biāo)系坐標(biāo)，同時(shí)也具有同一GPS網(wǎng)下的WGS-84坐標(biāo)，坐標(biāo)系匹配的實(shí)質(zhì)是求取局部坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)；測(cè)量的第二步是進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)站參數(shù)設(shè)置，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站根據(jù)相應(yīng)的菜單提示分別進(jìn)行必要的設(shè)置；測(cè)前準(zhǔn)備的最后一步是進(jìn)行必要的電臺(tái)設(shè)置。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，就可以進(jìn)行正式的測(cè)量了。

3　利用GPS-RTK進(jìn)行公路測(cè)量

3.1GPS用于首級(jí)控制

以某公路測(cè)量為例，設(shè)計(jì)線路經(jīng)過地屬山地和平原地形，山地植被以松、杉樹和灌木為主，平地以農(nóng)田為主，植被發(fā)育茂密，通視條件困難。村鎮(zhèn)居民地基本以集團(tuán)式為主，地形地貌復(fù)雜，沿中心線附近有國道及縣鄉(xiāng)道路相通，交通基本方便。本次測(cè)繪主要任務(wù)對(duì)中樁、界樁放樣、權(quán)屬調(diào)查，作業(yè)依據(jù)《公路勘測(cè)規(guī)范》。根據(jù)地形條件與曲線要素確定中樁間距，不同中樁間距見表1。

此次測(cè)量通過聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)，沿設(shè)計(jì)路線共布設(shè)了290個(gè)左右的GPS點(diǎn)作為此次測(cè)量的首級(jí)控制點(diǎn)，外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)測(cè)量模式，圖形均采用邊聯(lián)式構(gòu)網(wǎng)，基線邊的有效觀測(cè)時(shí)段不小于45min，圖形幾何強(qiáng)度因子PDOP＜6，衛(wèi)星高度角大于15°，有效衛(wèi)星觀測(cè)總數(shù)不小于5顆。觀測(cè)數(shù)據(jù)的基線解算在軟件Gpsurvey中進(jìn)行處理，平差采用TGO差軟件進(jìn)行網(wǎng)平差處理，測(cè)設(shè)的GPS點(diǎn)最小點(diǎn)位誤差± 1.2cm，滿足GPS網(wǎng)的精度要求。

表1　中樁間距(m)

在GPS網(wǎng)平差的基礎(chǔ)上，在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻的選擇了7個(gè)四等點(diǎn)，用這7個(gè)點(diǎn)的54北京坐標(biāo)與WGS84坐標(biāo)用軟件求出本區(qū)域WGS84與54北京坐標(biāo)之間的七個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。并把這些轉(zhuǎn)換參數(shù)預(yù)存在GPS接收機(jī)的電子手簿內(nèi)，用于軟件處理并實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。

3.2GPS-RTK用于中線放樣

在控制測(cè)量完成后，利用軟件自帶的道路設(shè)計(jì)模塊根據(jù)技術(shù)要求對(duì)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件自身會(huì)根據(jù)技術(shù)要求計(jì)算出去曲線長度等線路信息，完成后將所有信息導(dǎo)到外業(yè)控制器，此時(shí)按照相應(yīng)的要求進(jìn)行必要的基準(zhǔn)站、流動(dòng)站及電臺(tái)的設(shè)置，設(shè)置完后可以進(jìn)行正式的放樣工作了。放樣過程中控制器軟件會(huì)自動(dòng)提示放樣的精度，當(dāng)坐標(biāo)偏移量在容許范圍內(nèi)時(shí)，存儲(chǔ)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

3.3GPS RTK與全站儀放樣方法比較

放樣過程中為加快工作進(jìn)度，在使用GPS RTK技術(shù)同時(shí)，又采用全站儀進(jìn)行放樣及補(bǔ)樁，本次測(cè)量采用儀器標(biāo)稱精度為測(cè)角±2″，測(cè)距±(3mm+ 2ppm)，根據(jù)原有1:2000帶狀地形圖沿設(shè)計(jì)線判斷需加樁地形統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)與設(shè)計(jì)里程逐樁坐標(biāo)（或每隔5m）組成數(shù)據(jù)文件，通過通訊程序，編緝格式把放樣坐標(biāo)、控制點(diǎn)成果傳送到全站儀(存儲(chǔ)卡滿足要求)，避免了手工輸入的粗差。外業(yè)放樣時(shí)兩個(gè)作業(yè)員組成一組，在原控制網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行放樣，受通視條件的限制，支站數(shù)受到限制，還需發(fā)展二級(jí)導(dǎo)線，才能滿足放樣的精度要求，見表2。

表2　RTK與全站放樣的比對(duì)表

RTK動(dòng)態(tài)定位在公路勘測(cè)階段應(yīng)用，放樣一個(gè)點(diǎn)位僅需2～4S，精度也可以達(dá)到1～3cm，且整個(gè)測(cè)量過程不需通視，有著常規(guī)測(cè)量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

4　GPS-RTK測(cè)點(diǎn)的精度分析

4.1測(cè)量精度分析

在RTK進(jìn)行測(cè)量中，很重要的一道工序是流動(dòng)站必須在已知測(cè)量控制點(diǎn)上對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度進(jìn)行檢核，以檢查轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算和參數(shù)設(shè)置是否正確。表3為10個(gè)控制點(diǎn)上的比對(duì)結(jié)果，從表3可以看出，檢測(cè)數(shù)據(jù)中，平面差值最大值0.013m，高程差值最大值為0.030m，動(dòng)態(tài)測(cè)點(diǎn)平面位置中誤差為±0.009m，高程中誤差為±0.020m，精度比較高，能夠滿足工程本身的要求，圖1可更為直觀的反應(yīng)測(cè)量精度，同時(shí)也反映了GPS測(cè)量時(shí)高程精度。

表3　控制點(diǎn)坐標(biāo)較差比對(duì)表

圖1　三維坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)

4.2誤差源分析

影響RTK觀測(cè)值的精確性和可靠性的因素很多，主要包括：星歷誤差、衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星圖形、大氣狀況、基線長度、數(shù)據(jù)鏈硬件條件及數(shù)據(jù)處理軟件等。不同的誤差源有不同的應(yīng)對(duì)措施，測(cè)量時(shí)可根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施，如衛(wèi)星圖形可根據(jù)軟件預(yù)報(bào)功能查看未來情況，以確定野外測(cè)量作業(yè)計(jì)劃。

5　結(jié)束語

GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用于公路勘測(cè)中，通過實(shí)際測(cè)量可以看到，它能夠?qū)崟r(shí)定位，精度好、效率高，如果把RTK用于公路控制測(cè)量、鐵路線路控制測(cè)量、水利工程控制測(cè)量、大地測(cè)量、大比例尺地形圖測(cè)量，不僅可以大大減少人力強(qiáng)度、節(jié)省費(fèi)用，而且大大提高工作效率。隨著通訊等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)也隨之應(yīng)運(yùn)而生且技術(shù)越來越成熟，GPS RTK應(yīng)用必將得到革命性的發(fā)展和應(yīng)用。

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