GPS-RTK技术在铁路地质钻孔放线测量中的应用

邓军 王强

0 引言

随着GPS硬件技术的不断更新,定位理论研究的不断深入,误差模型的不断精化,各种应用软件的成功开发使用,使定位系统的精密度、实时性和可靠性都得到了长足的发展与提高。由于整周模糊度的在航解算OTF(Ambiguity Resolution On The Fly)方法已经成熟,高精度的实时动态差分GPS-RTK(Real Time Kinematics)目前广泛地应用于电力、公路、铁路的勘测设计和施工放样以及地质石油勘探、大江大河的水文水资源调查等。

在修建铁路前都要进行地质勘探测量,地质钻孔位置的放样是地质勘探的基础,由于GPS-RTK是以载波相位观测量实时差分为依据的动态定位技术,它能在施测的过程中实时得到三维坐标(平面坐标及高程),且测量精度可达到厘米级,这就使其应用在铁路钻孔放样测量中成为可能。

1 GPS-RTK工作原理与作业流程

1.1 基本原理

GPS静态测量的方法是各个接收机独立观测,然后用后处理软件进行差分解算。对于RTK测量来说,仍然是差分解算,只不过是实时的差分计算。也就是说,两台接收机(一台基准站,一台流动站)都在观测卫星数据,同时,基准站通过其发射电台把所接收的载波相位信号(或载波相位差分改正信号)发射出去;流动站在接收卫星信号的同时也通过其接收电台接收基准站的电台信号;在这两信号的基础上,流动站上的固化软件就可以实现差分计算,从而精确地定出基准站与流动站的空间相对位置关系。

1.2 GPS-RTK放样测量流程

1)收集测区控制点资料。作业前应先收集测区的控制点资料,包括控制点的坐标、等级、中央子午线、坐标系,是常规网还是GPS控制网、控制点的地形和位置是否适合作动态GPS的参考站。如无可用控制点,尚需布设及测求GPS控制网。

2)测区布置及参数设置。在实施放样测量前,应对整个测区进行合理布置,一般应将测区分成若干个测段(测段长不超过10 km),且应使每个测段的控制点较均匀的分布在测段内。同时,还应设置相应的系统参数,如定义要求的配置集、数据保存位置、坐标系统、天线类型、限差、卫星高度角等。

3)求出测区转换参数。实际作业时,根据控制点的分布情况,选用每个测段内至少3个以上分别有WGS-84地心坐标和北京54坐标或当地坐标的控制点,由水准网资料可获得选用点的高程,利用系统的相关软件可求解出各测段的7个(或 3个)转换参数。为了得到RTK高程,还要求取测段比较准确的高程异常模型。

4)基准站的选定和安置。根据各测段的控制点情况,选择坚实稳定、地势较高、临空面广阔、交通方便的位置作为基准站的架设点。为保证测量精度,基准站一般架设于各测段的中部,在基准站接收机上输入WGS-84坐标,各相关参数、天线高、作业名、测站名等。

5)野外放样测量。通过卫星预报,选择最佳观测时间,实测时在流动站要正确输入各项参数及设计线路坐标,并做好初始化工作。

2 GPS-RTK在渝黔铁路钻孔放线测量中的应用

2.1 工程概况

渝黔快速铁路,是国家规划的“八纵八横”铁路客运主干线,渝黔快速线北起重庆市沙坪坝区上桥的新重庆站,线路基本沿旧川黔线,经过綦江→遵义→贵阳。全长347.67 km,投资300亿元,平均每千米造价8 700万元,设计时速200 km。建成以后,南北两端将分别与贵广快铁和兰渝线连接,成为一条联贯西北→西南→华东南的客运主干线;是国家西部大开发重点工程之一。线路所经过的渝南黔北都为山区,且沿线居民点较多,通视条件较差,地质钻孔放样测量工作量大,采用常规的测量方法难以在较短的时间内完成放样工作,采用了3台中海达V8接收机进行放样测量工作。

2.2 已有控制点及放样测量

整个线路在勘察设计前期由中铁二院布设了41对共82个D等GPS点,两个点之间通视,所有的成果都转换成了北京54坐标。这就为放样测量提供了设置基准站的便利条件。为了求定坐标转换参数,在已有的GPS控制网中选择分布均匀的部分点位,采用GPS静态测量技术测定各点的WGS-84坐标,由于放样线路距离较长,地势复杂,考虑到动态GPS系统数据链的传递及定位精度的要求,实际求解时将测区分成5 km～10 km的若干测段,对每个测段利用V8接收机上的参数转换模块进行坐标转换。

3 精度分析

3.1 GPS-RTK测量精度与精度因子的关系

对遵义市红花岗区段的220个RTK放样点在1954年北京坐标系统下进行约束平差计算得各放样点的点位中误差,并按不同的PDOP(PDOP为几何精度衰减因子,它是反映GPS卫星空间几何位置分布对GPS测量影响的指标)值进行分类统计误差。

由统计结果可以得出如下结论:1)在RTK完成初始化之后,其测高精度已达到了仪器标称精度。2)受卫星分布影响,随着PDOP值的增大,标准差有增大的趋势。当PDOP＜2时,观测数据最优;当2≤PDOP≤5时,标准差与 PDOP＜2时无显著差别;当PDOP＞5时,标准差明显增大,但仍优于标称精度。3)接收卫星数目为6颗～9颗的情况下,标准差变化不显著,当接收卫星数为5颗时,标准差明显增大,但仍能达到标称精度指标。

3.2 RTK测量精度与控制点分布关系

本次施测中用来比测的控制点为2003年布设的E级GPS点,在RTK测量过程中,每测一个点都有精度显示。GPS控制手簿内精度控制的缺省值采用:平面0.015 m、高程0.020 m。所有比测的点均小于此误差限,最大点位移为0.292 m,距基准站的最大距离为5.30 km,最大高程较差为0.254 m。RTK测点位移的中误差为0.095 m。

3.3 RTK测量精度与遮挡物影响关系

受客观测量条件所限,在实际测量过程中一般很难避开遮挡物,接收卫星信号,数传电台发射无线电信号,都不可避免地受遮挡物的影响。参照张孝军先生提出的测试方法[5],在BC段的茂密树林里予以了测试。在无树木遮挡地方初始化后,进入树林中树木相对稀疏的地方进行测量。此时测量中初始化信息无丢失,数据链通讯较稳定,点位移与高程较差都不大,地形吻合较好。但当进入树林中央茂密的地方,就出现测点位移大,初始化信息丢失,且很难重新初始化的现象,测量无法得到继续。另在通讯信号发射塔及高压线附近测量结果偏差明显增大,无法正常测量,当距离达到500 m后基本正常,对于在这500 m内的测量可仍用常规方法予以施测。

3.4 RTK测量精度与基准站点位关系

首先考虑基准站与测点的距离对RTK测量精度的影响,只要满足点位距基准站距离在6 km以内即可。其次考虑基准站与测点高差的影响,在测量过程中,应选择在PDOP＜5、可用卫星为5颗以上的情况下进行观测,同时应保证测量点位距基准站距离在6 km范围以内,可以满足1∶500及更小比例尺的地形测量精度的要求。

4 结语

GPS-RTK技术的应用是对地质钻孔放样测量的一次根本性变革和发展。实践证明,RTK技术运用于铁路勘测可显著提高工作效率、缩短工期、降低成本,同时具有精度高、方便快捷等优点。在用GPS-RTK进行测量时需合理布置控制点位,同时要不断进行质量校核以充分保证测量的准确性。

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