铁路测量中RTK作业方式的探讨

李德奖

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,山东济南 250022)

1 概述

在铁路线路初、定测阶段和施工阶段,主要是利用GPS实时动态载波相位差分定位技术RTK来完成传统测量方法中的图根加密控制、像控点测定、带状图测绘以及施工放样测量等工作,并在统一坐标系下提供点位的三维数据信息,是当代GPS技术发展的一个重大突破。由于它能实时提供经过可靠性检验的厘米级精度的测量成果,显著地提高了作业效率,因而在铁路工程中有着广阔的应用前景。本文针对铁路线路测量所特有的带状线路特点,探讨如何灵活选用RTK测量的作业方式,以充分发挥RTK技术的潜能。

2 GPS-RTK系统的工作原理

RTK系统主要由一个参考站(即基准站)、若干个流动站、数据通讯系统3大部分组成(见图1)。

图1 RTK系统组成部件

RTK测量时,基准站将接收到的所有卫星信息及其基准站信息一起由通讯系统传送给各流动站。各流动站在接收卫星数据的同时还接收基准站传送的信息,当流动站完成初始化工作后,控制器即可根据接收到的信息实时计算并显示出流动站的点位坐标。RTK系统之所以能快速定位并且能进行动态初始化,是因为系统采用了动态快速求解整周模糊度AROF技术。这一技术使人们摆脱了高精度GPS载波相位测量中必须以解算整周求知数为目的的初始化问题,以及动态测量中必须始终保持4颗以上卫星的连续锁定的难题。优质高效的数据传输技术也是RTK技术实现的关键。RTK要求基准站与各流动站之间通过建立数据通讯链来实现基准站信息(数据)向流动站的实时传输,并能对传输的数据进行正确编码和同步检错。为保证数据传输的准确与实时,必须综合考虑传输格式、传输频率、传输距离、传输数据量等诸多因素。

3 铁路RTK测量的作业方式

3.1 不同起算条件下的RTK作业方式

在进行铁路RTK测量时,起算点的已有坐标数据情况往往不尽相同。有的已知点可能同时具有WGS-84世界坐标系坐标(以下简称84坐标)和1980年国家坐标系坐标(以下简称80坐标)或1954年北京坐标系坐标(以下简称54坐标),这种情况下便可以求解两系统的坐标转换参数,可分为求取七参数和求取三参数两种作业方式。而大多数的已知点可能只具有80坐标或54坐标,还不能直接求解坐标转换参数。特殊情况下也可能待定点只需要84坐标即可。因此在具体作业方式上会有所不同。

(1)对于已知点仅具有80坐标或54坐标的铁路项目,必须先测定已知点的84坐标,为求解坐标转换参数所用。此为三参数转换,此时要求基准站既可以安置在已知点上,也可以安置在待定点上,甚至可以安置在临时点上,但都必须先进行单点定位,测定基准站的84坐标,一般取10min的观测数据即可。而流动站必须先到已知点进行流动观测,获取所有已知点的84坐标,然后同样在RTK系统内通过公共点匹配求解坐标转换参数。有了转换参数就可以到待定点上依次观测了。对于没有布设GPS控制网的铁路项目,一般都需要按此种作业方式进行,作业成果见图2。

图2 三参数法GPS点校正残差

(2)对于已知点同时具有84坐标和80坐标或54坐标的铁路项目,可以在RTK系统中直接输入已知点的两套坐标,选用合适的坐标转换模型,通过公共点匹配求解坐标转换参数,检验合格后保存采用。此为七参数转换,此时要求基准站必须安置在已知点上,流动站则比较灵活,可以直接到待定点上流动观测,也可以先到个别已知点或已测点上进行检核测量,以核对坐标转换参数的正确性。对于已经布设GPS控制网的铁路项目,一般都可以按此种作业方式进行,作业成果见图3。

图3 七参数法GPS点校正残差

(3)对于待定点只需要84坐标的这一情形,此时基准站和流动站直接采用WGS-84坐标系统,而无需对坐标系统进行处理。由于基准站安置都具有一定的可选性,因此应尽可能满足以下几方面的要求:①点位周围没有明显的障碍物和电磁信号干扰物,以有利于卫星信号的接收。②点位所在地地势较高,最好是制高点上,有利于数据信号的传送。③点位附近充电较方便,确保基准站连续用电的特殊需要。④点位相对于待测区域位置适中,有利于作业半径的覆盖。

3.2 不同坐标系统下的RTK作业方式

进行RTK测量主要是充分利用它具有的快速定位和实时放样两大功能。在大多数情况下,只有点位放样才真正需要实时测定,而快速定位并不都是需要实时提供坐标,也就是说可以通过后处理提供点位坐标。因此在作业方式上我们完全可以根据铁路项目对测量成果需求的紧迫程度,优化设计RTK测量的作业方式,以达到尽可能缩短外业观测时间,真正提高作业效率。

(1)在国家坐标系统下的RTK作业方式

所谓在国家1980或1954坐标系统下的RTK作业方式,也就是3.1中所介绍的前两种情形。因为这种作业方式才是真正意义上的实时提供国家坐标系统下的点位坐标,主要工作也都是外业完成。它要求测区具有坐标转换参数或者能够实时求定转换参数。该作业方式主要用于真正需要实时提供点位坐标的铁路项目如定测中线测量和施工放样等,在目前具有相当的普遍性。

(2)在WGS84坐标系统下的RTK作业方式

所谓在WGS84坐标系统下的RTK作业方式,是指RTK外业测量中无需考虑坐标转换参数而直接实时提供84坐标,通过内业后处理提供国家坐标的一种作业方式。这种作业方式的最大特点是:不必为求定坐标转换参数而必须提前进行已知点联测,而只需在测定待定点时顺便联测已知点。尤其是对于线路较长的铁路RTK测量,无需实时提供国家坐标成果时,按此作业方式可以大大减少外业工作量,提高工作效率。

4 应用实例

2009年11月公司对京沪线韩庄至利国间桥梁线路改造工程进行定测,该项目位于山东省济宁市微山县韩庄镇境内,在京沪铁路韩庄站和利国站之间,里程范围:既有京沪线(K759+150～K763局界),设计DK759+150～DK762+962.89。根据设计要求需补充测量带状地形图(影响线位方案的既有线平面位置、电力线、电气化支柱、输油管道等的位置),然后进行定测放线等工作。

4.1 作业方式

由于测区已知点只有80坐标,且前期无需实时提供国家坐标成果,不必为求定坐标转换参数而进行已知点联测,只需在测定待定点时顺便联测已知点,故采用在WGS84坐标系统下的RTK作业方式。

4.2 作业内容

采用RTK1+2模式,即一个基准站两组流动站,一组边测量已知平面控制点及沿线水准点同时测量既有线路,另外一组测量电气化支柱、电力线及其他待定点。两个测组建立相同属性(无投影无基准)的项目,采用同一个基准站,各自采集数据。外业数据采集完成后,将两个组的测量DC文件导入到一个TGO项目内一起参与校正,因为此段测区地势较为平坦将采得的水准点同时进行高程拟合(便于后续中线测量同时得到中桩的拟合高程,省去了常规测量用水平仪测量中桩高程工序),这样求得转换参数之后就能将两个组的测量数据转换成当地坐标,提交成果进行线路设计。方案设计完成后根据校正好的项目按照提供的坐标用RTK进行中线放样测量及横断面测量。

在此测量过程中我们根据不同的阶段不同的要求选择不同的作业方式,原来需要0.5d的时间联测已知点,1d的时间测量待定点,改变方式后两个组同时测量,已知点及待定点坐标一遍采集完成,只需要0.5d便完成了任务,节省出1d的外业时间,在保证质量的前提下大大降低了工作时间。由此可见,这种作业方式用于长大线路带状地形图测量及图根点加密测量等工作时,更加能显示出它的优越性。

5 结束语

综上所述,铁路RTK测量作业方式非常灵活,应该根据铁路工程的实际情况来进行选择,充分发挥RTK测量的技术优势,尽可能地减少外业工作量,提高工作效率,降低生产成本。

[1]张予东.公路测量中GPSRTK的应用[J].测绘通报,2002(5)

[2]袁新强.GPS动态测量技术优劣性分析[J].铁道勘察,2006(3):7-9

[3]GB50026—93 工程测量规范[S]