GPSRTK技术在南水北调工程施工测量中的应用

周建平, 肖 健

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川 彭山 620860)

GPS测量技术在工程测量领域已得到了广泛应用,不仅应用在控制测量,其实时动态测量技术(RTK)更是为工程测量带来了极大的便利。RTK测量技术是全球卫星导航定位技术与数据通信技术相结合的载波相位实时动态差分定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。在 RTK测量模式下,参考站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站,流动站不仅采集卫星观测数据,还通过数据链接收来自参考站的数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理。该方法的精度一般可达到厘米级,且 RTK提供的是三维坐标,可取代传统的纵横断面测绘方法。该技术大大减少了测量人员的劳动强度,自动化程度高,省工省时,精度高,全天候,提高了工作效率,使工程变得更经济。现以南水北调中线工程潮河段二标横断面测量中的应用为例进行说明。

1 工程概况

南水北调中线工程潮河段二标全长 4.4 km,位于郑州市的新郑市,地势平坦,沿线村庄较多,通视条件差。主要建筑物有三座:总干渠、庙后李沟排水渡槽及梅河倒虹吸。业主在总干渠岸边提供了 24个控制点,因控制点离施工区域较远、建筑物阻挡视线、控制点间通视条件很差,故本工程使用 GPS静态定位技术进行首级控制网的复测和加密,用 RTK技术进行断面测量和工程放样。

2 施工控制网的复测和加密

2.1 测量仪器

本工程使用 3台(套)南方 S86T双频 GPS接收机,仪器标称精度:平面:静态 ±(3 mm+1 ppm),RTK±(10mm+1 ppm);高程:静态 ±(5 mm+2 ppm),RTK ±(20mm+1 ppm)。

2.2 测前准备

(1)根据施工需要现场勘踏,进行图上设计。

(2)按优化设计原则和相关规范的要求进行网型设计,实测前,根据星历预报制订合理的观测计划。

2.3 GPS静态测量

根据施工需要,共计划复测 22个首级施工控制点,加密 15个二级控制点。控制网采用边点混合式布网形式,卫星截止高度角为 15°,同时观测有效卫星数≧ 4,观测时段≧ 1.6,时段长度≧ 60 min。在进行基线处理之前要观测各点的星历预报,剔除质量差的星历,以保证基线处理有较高的精度。内业基线解算使用随机南方测绘 GPS数据处理软件,经过基线计算和数据处理,控制网同步环坐标分量闭合差最大dx=0.006m,dy=0.004 m,最大环闭合差 0.0075 m等各项精度指标均符合规范要求。

由于 GPS高程达不到相当于三等水准精度要求,各施工控制点的高程采用联测三等水准的方法求解。

3 GPSRTK放样

3.1 坐标转换参数的求定

GPSRTK测量的重要环节是 WGS-84坐标系到工程坐标系的转换,求解高精度的转换参数对提高 GPSRTK测量精度有很大的帮助。南方GPSRTK测量前,须利用已知控制点求解坐标系转换的七个参数。南方工程之星软件可保存已求解的七个参数,每次测量前只需调用已求解的七个参数并在已知点上校核即可。

3.2 校正导向

校正导向是灵活运用转换参数的一个工具。由于 GPS输出的是 WGS84坐标,而且 RTK基准站的输入坐标也只认 WGS84坐标,所以,大多数GPS在使用转化参数时的普遍方式为:把基准站架设在已知点上,在基准站直接或间接的输入WGS84坐标启动基准站。这种方式的缺点是每次都必须用控制器与基准站连接后启动基准站,该模式在测量外业作业时在操作上会带来一定麻烦。而使用校正导向可以避免用控制器启动基准站,可以选择将基准站架设在任意点上自动启动,从而大大提高了使用的灵活性。需要注意的是:校正导向需要在已经打开转换参数的基础上进行。

3.3 断面测量

南水北调潮河段二标原始断面测量工程量特别巨大,如果采用传统的测量方法,需要大量的人力物力,而采用 GPS RTK测量结合施工坐标,只需两人两天即可完成以前需要两组全站仪 5 d的工作,工效提高了 5倍。

在进行横断面测量前,首先调入设计线路文件及横断面设计文件。点击“打开横断面设计文件”界面,根据自己的测量要求调入文件完毕后进入横断面线路测量界面,根据图示移动当前点使其里程和要放样的设计里程相同或里程差在允许范围内就可以根据状态栏上的“距离”进行横断面的测量采点。横断面测量的采点方式和普通采点方式相同。在测量过程中,可以通过快捷键“7”在线路图和横断面图中进行切换。在横断面测量采集前,应查看或设置采集的参数以满足测量要求。采集完毕,用户可以根据自己的需求把数据格式进行转换,例如生成普遍使用的纬地横断面数据格式,单击“横断面成果输出”,在“横断面成果输出”界面中也可以选择保存成*.txt文件。不同的用户对于横断面的数据格式要求也不同,可以在此界面下选择“成果文件格式”。

3.4 施工放样

采用 RTK技术放样时,仅需把放样点位坐标输入到事先编制好的放样文件*.dat并选择放样点或直接输入放样点坐标,确定后进入放样指示界面,放样界面显示了当前点与放样点之间的距离,根据提示进行移动放样。

在放样过程中,当前点移动到离目标点 0.9 m距离以内时,软件会进入局部精确放样界面,同时软件会给控制器发出声音提示指令,控制器会有“嘟”的一声长鸣音提示,在此界面中有三个半径分别为 0.9 m、0.6 m、0.3 m的圈,当前点位每进行一个圈都会有一次提示音,点击精确局部放样的按钮出现局部精确放样设置界面,此界面中的设置分别为放样提示设置和放样显示设置。放样提示设置可设置放样圈的最小圈半径和最大半径以及放样时的声音提示。点放样圈的数量为最大值整除最小值的数量。在放样界面下还可以同时进行测量,按下保存键 A即可储存当前点坐标。在点放样时使用快捷键方式会提高放样的效率。在放样界面下按数字键 8放样上一点,9键为查找放样点。工程放样有很强的实用性,本工程开挖回填以及基础处理均采用 RTK线放样功能放样。

3.5 线放样

在工程之星中的线放样系指放样直线。

打开线放样坐标库,放样坐标库的库文件为*.lnb,选择要放样的线(有已经编辑好的放样线文件),如果线放样坐标库没有线放样文件,点击“增加”,输入线的起点和终点坐标就可以在线放样坐标库中生成线文件。如果需要里程信息的话,在图中可以输入起点里程,这样,在放样时就可以实时显示出当前位置的里程,线放样设置分为提示设置和显示设置。提示设置中的最小值是离放样直线最近的两条平行虚线距离,最大值是指距放样直线最远的两条平行虚线的距离。平行虚线的数量为最大值除最小值结果的整数部分。整里程提示指的是当前点的垂足移动到所选择的整里程时会有提示音。

3.6 影响 GPSRTK测量精度的因素

根据南水北调潮河段二标 GPS RTK断面图测量和施工放样的使用经验,笔者认为:作业时应注意以下问题。

3.6.1 有关基准站的问题

(1)因为 RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术,RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(伪距观测值,相位观测值)及已知数据传输给流动站接收机。故:①电台天线要尽量高。如果距离较远,则要使用高增益天线或将基站架设在位置比较高的已知点上,否则将影响到作业距离。②电源电量要充足,否则也将影响到作业距离。③基站尽量不要架设在有标架,特别是钢标架的底下,因为标架对基站的 GPS接收卫星有很大的影响,将直接导致流动站固定缓慢和数据精度降低。

(2)设站时,要限制最大卫星使用数,一般为8颗。如果太多,则将影响作业距离;太少,则影响 RTK初始化。

(3)如果不是使用七个参数,则在设置基准站时要使 Transform To wGS84(转换到 wGs84坐标系)处于 of(关闭)状态。

(4)如果使用七个参数,则△X、△Y、△Z都小于 ±100较好,否则重求。

(5)在求转换参数前,要使参数转换和一 t参数关闭。

(6)在 RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集 GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,且历时不到 1 s。基准站和移动站必须要保持四颗以上相同卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,则流动站可随时给出厘米级的定位结果。

3.6.2 有关流动站的问题

(1)解的模式要使用 RTK Extrap(外推)模式。

(2)数据链接受间隔要与基准站设置的发射间隔一致,都要为 1。

(3)高程改正应在天线高里进行改正。

(4)为了能真正反映地面高程。我们给流动站的碳纤维杆(原来是尖的)下面改装了一块 3 cm×3 cm的平面底板,从而保障了地面高程的准确性。

(5)差分天线要尽可能的高。

3.6.3 有关求转换参数的问题

已知两点在测程及测区内要尽量远。同时,这两点不能在同一条经线或同一条纬线上。

(1)观测卫星的图形强度。图形强度越好,RTK的准确性和可靠性越高。

(2)基站作业环境。基站的选择要远离大功率无线电发射台、变电站、高压线等无线电干扰源,远离大面积水域,避免产生 GPS信号的多路径效应。

(3)人为因素。测量员的作业熟练程度也会影响 RTK的作业精度。测量作业时,如果屏幕显示的不是固定解时就记录,则数据的精度会很低,甚至会记录到错误的数据。如果测量时接收机天线未保持垂直,测量数据的精度同样会很低。

3.7 GPSRTK测量的优点

(1)RTK在无需通视的条件下,具有远距离传递三维坐标的优势。

(2)节约人员。观测数据不再采用手工记录,同时还避免了粗差。只需一个人,就可以通过操作流动站进行测量。

(3)定位精度高。精度可达到厘米级。根据施工中全站仪与 GPS的对比试验得知,GPS RTK放样点中误差为 ±20mm;成果可靠,每个点的误差均随机产生,处于同一数量级,不会像传统测量那样产生误差的积累。

(4)实时数据处理。手持控制器可显示位置成果。这一功能使测量师在离开测区前就可以知道全部测量成果是否满足要求。

(5)接收机性能稳定。可以全天候工作。每台仪器略加配置,即可做静态定位、快速静态定位及动态测量定位等工作。

(6)RTK测量系统可实现自动记录数据。既可减少外业工作量,又便于内业数据的整理和检查。

4 结 语

笔者根据工程实践得到以下认识:随着 GPS测量精度的进一步提高,GPSRTK技术已满足大比例尺测图、纵横断面测量以及开挖施工放样等工作,完全可以替代全站仪等传统测绘仪器,为测绘工作开创出了新的局面,在工程建设领域发挥出了更重要的作用。