GPS-RTK技术在铁路中线定测中的应用

杨青坡

全球定位系统(GPS)在测绘生产部门的应用早期主要集中于大地测量领域。高精度的实时动态(GPS-RTK)定位技术是GPS测量技术发展的一个新突破,是测绘行业的一次重要的技术革命。

众所周知,无论是静态定位,还是准动态定位等定位模式,由于数据处理的原因,无法实时的解算出定位结果,而且也无法对观测数据进行检核,这就难以保证观测数据的质量,在实际工作中经常需要花费大量的时间进行成果检核,这样就大大降低了GPS测量的工作效率。因此GPS-RTK技术很快就在测绘行业的各个领域得到了广泛的推广,如地形图测量、公路、铁路的勘察设计和施工放样、地质调查和土地勘察定界与变形测量等。

1 GPS-RTK工作原理

GPS-RTK是一项基于载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的技术,这两个测站分别被称作基准站和流动站。基准站一般选设在视野较开阔、地势较高的已知控制点上,从而方便于对 GPS卫星进行连续跟踪观测,在基准站上设置一台 GPS接收机,通过对所有可见的GPS卫星进行连续性观测,然后将其得到的观测数据通过无线电传输设备,准确地、实时地发送到各个用户流动站。GPS-RTK定位能够实时地提供各个待测点在指定坐标系中的准确三维定位结果,用户流动站通过数据链接收不仅能得到来自基准站的数据,还可进行 GPS观测数据采集工作,并在系统内通过组成差分观测值的方式对所得数据进行实时处理,同时给出厘米级的动态定位结果。

传统的静态定位测量是在一条或数条基线的端点之上分别安置两台或两台以上的GPS接收机,以基线长度的要求及其精度为主要依据,对所得观测值进行处理工作,可得到任一测站的精密的WGS-84基线向量,经过国家三角点或更高精度的A级网点联测、坐标解算、平差、坐标传递、坐标转换等工作,最终得到坐标结果,这是一段非常耗时的工作。显然静态定位测量的这种工作特性决定其不具备实时性。而GPS实时动态(RTK)定位技术是在传统的静态定位测量常用设备的基础之上,增加一套无线电数字传输设备系统(我们通常称之为电台),从而把以前两个相对独立的GPS信号接收系统连成了一个有机的整体。基准站通过无线电数字传输设备系统将观测值数据、信息实时地传输给各个用户流动站,用户流动站根据基准站传来的载波相位观测信号,与流动站本身的载波信号成基线进行实时数据处理工作,就能很快速地解算出两站间的基线值。由于接收机输入了相应的坐标转换和投影参数等相关信息,所以也就能实时地得到各个用户流动站测点坐标位置。

2 GPS-RTK技术优点

1)作业效率高。一般的地形地势下,高质量的 RTK设站一次即可测完 10 km半径的测区,大大减少了传统测量所需的控制点数量和仪器的搬站次数,仅需一人操作,在一般的电磁波环境下几秒钟即可得到一点坐标,作业速度快,劳动强度低,节省了外业费用,提高了劳动效率。

2)定位精度高,数据安全可靠,没有误差积累,只要满足 RTK的基本工作条件,在一定的作业半径范围内,RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

3)降低了作业条件的要求。RTK技术不要求两点间满足光学通视,只要求满足“电磁波通视”,因此,与传统测量相比较, RTK技术受通视条件、能见度、气象、季节等因素的影响和限制较小,就算是复杂的地形区域,只要能满足RTK的基本条件,都能够轻松的完成高精度的定位。

4)RTK作业自动化、集成化程度高,测绘功能强大。RTK适用于各种测绘内外业。流动站利用内部软件,无需人工就能自动实现多种测绘功能,从而减少人为误差,保证了作业精度。

5)操作简单容易使用,数据处理能力强。只要在设站时进行简单的设置,就可以实时进行测量。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强,能方便快捷地与计算机和其他测量仪器通信。

3 作业方法

1)建立测区平面控制网。根据中线放样资料,运用 GPS静态测量方法建立测区控制网,每 4 km一对点,其中对点间保持通视,利用GPS数据处理软件求出各控制点的平面坐标,与此同时也不得不考虑其投影变形,其变形的程度取决于测区地理位置和高程,铁路线路跨越范围广,线路走向、地形情况千差万别,长度变形也因此各不相同,所以必须采取一些相应的措施来削弱长度变形。

2)高程控制测量。GPS得到的高程是大地高,而实际工程采用的却是正常高,因此需要将大地高转化为正常高。但测区的高程异常通常来说是未知数,且变化较为复杂,特别在山区,精度更差。此外,新线定测要求约每隔 2 km设置一水准点,但存在着有些地形不能满足 GPS观测的条件,采用高程拟合的方法拟合所得的高程精度也因此不能得到保证,完全地用 GPS替代等级水准难度较大。因此等级水准仍需采用水准仪作业模式。

3)计算基准转换参数。合理选择控制网中已知的WGS-84和北京 54坐标以及高程的公共点,求解转换参数,为RTK动态测量工作做好准备。求解基准转换参数时,公共点平面残差应控制在1.5 cm以内,高程残差应控制在3 cm以内。

4)基准站选定。基准站设置除了满足 GPS静态观测的条件外,还应设在地势较高、四周开阔的位置,便于电台的发射。基准站宜设于已知平面高程控制点上,也可在未知点上设站。

5)放样内业数据准备。根据实际情况求算出所需要放样点的所有坐标,并将这些坐标按照特定的格式导入到 GPS手簿里面,以便进行外业放样。

6)外业操作。将基准站接收机设在基准点上,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。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。

4 结语

GPS-RTK动态测量技术不仅能达到较高的定位精度,而且大大提高了测量的工作效率,从而缩短了整个勘察工程的外业工期。随着 RTK技术的不断完善发展,该技术已经逐步应用到了地形图测量当中,大大的减轻了测量人员的劳动强度。因此,RTK技术在铁路工程测量领域有着广阔的应用前景。

[1] 成桂静.GPS在工程测量中的应用[J].山西建筑,2009,35 (1):355-356.