浅谈RTK技术在铁路勘测中的应用

王文亮 郝 明 奚冠凡

摘要:随着GPS定位技术的发展,其应用的领域也在不断拓宽,在大地测量、工程测量、工程与地壳变形监测、地籍测量、航空摄影测量和海洋测绘等各个领域已得到广泛的应用。GPS定位测量是对经典测绘技术的一次跨越。文章分析了实时动态测量(RTK)的原理、作业模式及其在铁路测量中的应用。

关键词:RTK技术;铁路勘测;GPS定位技术;测绘技术;载波相位差分技术

中图分类号:P228文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0036-02

一、概述

RTK技术又称载波相位差分技术,其实时定位精度可达到厘米级甚至更高,现已成功应用于铁路勘测中。该技术不仅保留了GPS测量的高精度,而且还具有实时性。

二、RTK定位技术原理

实时动态测量技术简称RTK技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。

实时动态测量的基本思想是,在基准站上安置一台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续的观测,并将其观测数据通过无线电传输设备实时发送给用户观测站。用户站上,GPS接收机在接受GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备接受基准站传输的观测数据,然后根据相对定位的原理,实时的计算并显示用户站的三维坐标及其精度。

这样,通过实时计算的定位结果,便可检测基准站与用户站观测成果的质量和解算结果的收敛情况,从而可实时的判定解算结果是否成功,以减少冗余观测,缩短观测时间。RTK测量系统的开发成功,为GPS测量工作的可靠性和高效率提供了保障,这对GPS测量技术的发展与普及,具有重要的现实意义。

三、RTK在铁路测量中的作业模式

(一)RTK作业模式

1.快速静态测量。采用这种测量模式,要求GPS接收机在每用户站上,静止的进行观测。在观测过程中,连同接收到的基准站的同步观测数据,实时的解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算的结果变化趋于稳定,且精度以满足设计要求,便可适时的结束观测。采用这种作业模式时,用户站的接收机在流动过程中,可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪,其定位精度可达1～2cm。

2.准动态测量。同一般的准动态测量一样,这种测量模式,通常要求流动的接收机在观测工作开始之前,首先在某一起始点上静止的进行观测,以便采用快速解算整周未知数地方法实时的进行初始化工作。初始化后,流动的接收机再每一个观测站上,只需静止观测数历元,并连同基准站的同步观测数据,实时的解算流动站的三维坐标。目前其定位精度可达厘米级。

3.动态测量。动态测量模式,一般需首先在某一起始点上,静止地观测数分钟,以便进行初始化工作。之后,运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测,并连同基准站的同步观测数据,实时的确定采样点的空间位置。目前,其定位精度可达厘米级。这种测量模式,仍要求在观测过程中,保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁,则需重新进行初始化。

(二)建立平面控制网

在铁路勘察设计中,铁路定测是一项很重要的工作内容,在铁路定测过程中,测量的主要工作是进行交切测量、中线测量、中桩高程测量、断面测量、跨线测量、桥涵测量等工作。在放样中线之前,首先要采用静态测量方法沿线布设平面控制网,经过严密平差解算,求出各控制点的平面坐标与高程。相邻点间间距5～8km,并与国家点联测,求出各控制点平面坐标。这里需要考虑投影变形的影响。变形的程度与测区地理位置和高程有关,铁路线路短则数十公里,长则上千公里,跨越范围广,线路走向、地形情况千差万别,长度变形各不相同。在3°投影带的边缘,长度变形可达1/3500以上,导致中线桩由图上反算的放样长度与实地测量长度不一致,无法满足放样要求。因此,必须采取相应的措施消弱长度变形,如设置抵偿投影面等方法。

(三)高程控制测量

GPS测出的高度是大地高,而实际采用的是正常高,需要将大地高转化为正常高。而测区的高程异常是未知数,且高程异常的变化较复杂,特别在山区精度较差。近几年来,随着高程拟合方法的逐步应用,在地形变化不大的平坦、半丘陵地区,已经可以将RTK高度值进行处理来得出正常高。此外,铁路新线定测要求约每隔2km设置水准点,而有些地形环境不能满足GPS观测的条件,采用高程拟合的方法拟合的高程精度不能得到保证。完全用GPS替代等级水准难度大。因此要结合测区具体情况,确定要采用的方法。

(四)外业施测

选点并埋设标石之后,在基准点上架设接收机,开机后进行必要的系统设置、无线电设置及天线高等输入工作。流动站接收机开机后首先进行系统设置,输入转换参数,再进行流动站的设置和初始化工作。通常公布的坐标系统和大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差,因此要通过点校正来减少这些偏差,获得更精确的当地网格坐标,且确保作业区域在校正的点范围内。对GPS卫星进行跟踪、处理与量测,以获得所需要的定位信息和观测数据。

四、RTK在铁路测量中的具体应用

RTK拥有高精度、高效率和实时性的特点,在各种工程测量工作中得到了广泛的应用。同时,随着各项技术的进步与完善,RTK在铁路测量中也可以完成各种工作。

(一)工程控制测量

用GPS建立控制网,理论精度最高的方法是静态测量。对于大型建筑物,如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制,适合采用用静态测量。而一般工程的控制测量,则可采用实时GPS动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度,大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视,便得测量工作更简便易行。

(二)绘制大比例地形图

等级高的铁路选线多是在大比例尺(通常是1:2000或1:1000)带状形图上进行的。用传统方法测图,先要建立控制网,然后进行碎部测量,绘制成大比例尺地形图。其工作量大速度慢,花费时间长。然而,用实时GPS动态测量,测得碎部点的数据,在室内即可由绘图软件成图,由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息,而且采集速度快,大大降低了测图的难度,既省时又省力。

(三)铁路中线测设

设计人员在大比例尺带状地形图上定线后,需将铁路在地面标定出来。采用实时GPS测量,只需将中线柱点的坐标输入GPS接收机中,系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立的完成的,不会产生累积误差,各点放样精度趋于一致。同时,GPS接收机只需在小范围内无遮挡,保证信号接收,就能满足中线测设要求,特别在山区中线测设中可大量减少转点和砍伐树木工作,节省大量的人力,提高测量进度。

(四)铁路纵、横断面测量

铁路中线确定后,利用中线桩点坐标,通过绘图软件,即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的,因此不需要再到现场进行纵、横断面测量,从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时,也可采用实时GPS测量。与传统方法相比,在精度、经济、实用性各方面都有明显的优势。

(五)施工测量

实时GPS系统既有良好的硬件基础,也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷,精度可达到厘米级。

(六)变形观测

利用实时GPS动态变形监测网具有毫米级的精度,比一般工程控制网高一个数量级。实践表明,如果用较长的观测时间,分几个时段进行观测,并采取强制对中,观测时天线指北等措施,长度不超过4km的基线向量可达到2～3mm的精度。

五、结语

随着RTK技术的不断发展与进步,以及各种仪器的性能越来越高,能够大大的缩短工作时间以及减少工程量,并通过相应的数据处理软件,很大程度上减轻了工作人员的内业工作。从而大大的提高了铁路测量工作的效率,缩短了整个勘测周期。因此,RTK技术必将有很广阔的前景。

参考文献

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[2]陈峰.实时GPS测量在铁路勘测中的应用[J].铁道勘测与设计,2006,(3).

[3]GPS-RTK在地质勘探工程测量冲的应用[J].能源技术与管理,2008,(6).

[4]张玉生.GPS-RTK技术在铁路测量中的应用[J].铁道勘察,2008,(6).

作者简介:王文亮,中国矿业大学环境与测绘学院学生,研究方向:测绘工程。