网络RTK技术在城市线路测量中的应用研究

吉仕村，何锡扬

(长沙市勘测设计研究院，湖南长沙 410007)

1 概述

在城市测量中，线路测量占了很重要的地位，而线路测量往往工作量大，工期要求却较短，因而采用较为先进的技术提高生产的效率非常必要。在传统的线路测量中，通过全站仪来进行放样测量，在测量的准确性和精度以及工作效率方面都受到很多的制约。随着近年来GNSS理论和技术在国内的迅速发展，全国大部分城市逐步建立了连续运行参考站网(CORS)，将网络RTK技术应用到城市测量中，取得了很好的效果。

本文将结合长株潭连续运行参考站网(CZTCORS)探讨网络RTK在城市线路测量中的应用。

2 网络RTK技术

传统的RTK技术是在2台GPS信号接收系统(基准站和流动站)之间增加一套数据链，将2台GPS接收系统联成有机整体。移动站将基准站传来的载波观测信号与移动站本身采集GPS载波信号，在系统内组成差分观测值进行实时处理，解出两站间的基线值，同时输入相应的坐标转换和投影参数，实时得到精确的定位结果。由于传统RTK技术需要同时携带2套GPS接收系统，在操作上带来了一些不便性。

为了克服这一缺陷，建立多个基准站网为流动站提供差分信号的理论逐渐被提出，CORS基准站网逐步建立。CORS的理论源于上世纪80年代中期加拿大提出的“主动控制系统(Active Control System)”，该理论认为，GPS的主要误差源来自于卫星星历。D.E.Wells等人提出利用一批永久性参考站点，为用户提供高精度的预报星历以提高测量精度。连续运行参考站(Continuous OperationalReference System，CORS)将网络化概念引入到了大地测量应用中，弥补了传统RTK应用上存在的缺陷。

网络RTK也称多基准站RTK，其定位的基本思想是:在一定区域内，由于多种系统误差，如电离层延迟、对流层延迟和轨道误差等具有较强的相关性，利用多个基准站的观测值就可以建立区域误差模型，对区域内任意位置的误差都可以根据模型计算出来，用户就可以用经过误差改正的观测值得到高精度的定位结果。图1为网络RTK定位原理略图。

图1 网络RTK定位原理略图

3 网络RTK在线路测量中的应用

公路、铁路、渠道、输电线路、输油管道、输气管道等均属于线型工程，它们的中线通称线路。在勘测设计阶段的测量工作，称为线路测量。线路测量与施工建设阶段及竣工阶段所进行的测量工作，统称为线路工程测量。线路工程测量的主要内容包括中线测量(包括曲线测设)、纵、横断面测量、带状地形图测绘、线路土石方计算和施工测量。

在线路测量中，纵横断面测量工作占了很重要的地位，测定线路中桩处的地面高程，绘制纵断面图(profile)，为线路设计提供基础资料。纵横断面测量其在本质上是放样与测量的结合，首先需要确定理论断面在实际地面的位置，然后获取该位置的高程，确定断面位置的过程即是放样的过程，因此影响纵横断面测量精度取决于放样和测量两个方面的精度。对于一般的城市道路建设中，中桩间距一般取为 20 m，对于几千米甚至更长的线路测量来说，纵横断面测量是具有较大工作量的一项工作，因此保证较高的工作效率和速度对于线路测量来说十分必要。

3.1 传统线路测量方法

传统线路测量方法主要利用全站仪或经纬仪等观测仪器，采用距离交会法、直角坐标法、极坐标法等测设出纵断面的位置。对于直线路段，横断面方向垂直于中心线的方向，要确定横断面的方向，首先要标定出公路中心线，一般用两个中桩标定，在此方向上再找出垂直方向;另外一种方法是由横断面中桩的坐标，计算边桩的坐标，外业放样中桩和边桩点，这两点连线方向即为横断面方向。当线路的中线为圆曲线段或缓和曲线段时，其作业则较为复杂，需要根据圆曲线或缓曲线的特征值计算出弦切角等测设值，再根据测设值来确定横断面的方向，或者直接计算并出边桩坐标，再将边桩坐标测设出来来确定横断面的方向。确定横断面方向之后便可定出横断面上各变坡点与中桩点之间的水平距离和高差。

3.2 RTK技术在线路测量中的应用

相对于传统的观测仪器，网络RTK实时快速获取定位坐标的优点使得其在放样测量中具备更好的操作性和更高的精度。应用于纵横断面测量的优越性:增加放样的准确性、减少测量精度损失、使用方便、快速、单人即可作业。

通过长时间的实际应用表明，网络RTK的优越性主要体现在:

(1)不受地形和通视条件限制:RTK利用卫星信号来定位，因而不受通视条件的限制。

(2)测设直观方便、便于快速采集:利用RTK电子手簿的易植入软件特点和友好界面性以及RTK实时定位功能，可以自编软件利用导入数据和当前定位值实时获取目标测设点的方位距离等信息，根据直观的数据指示，可以快速定位测设出目标点。

(3)测设的准确性:由于RTK根据卫星数据和改正信息来实现实时定位，不同于全站仪、经纬仪等仪器存在测站积累误差，能获取更精确的断面测量信息。

(4)单人即可作业:网络RTK的基站布设在城市固定地点，应用RTK作业时，仅需携带流动站，加上电子手簿具备蓝牙无线传输功能，单人作业非常方便，大大增加了作业灵活性和作业效率。

图2为线路放样交点要素输入界面示意图。

图2 线路放样交点要素输入界面

4 应用RTK技术进行线路测量

4.1 长株潭GNSS CORS简介

长株潭GNSS连续运行参考站系统(简称CZTCORS)于2007年5月开始建设，10月建成投入试运行，12月完成各项精度指标和性能测试，并通过湖南省测绘产品质量监督检验授权站的检验，投入正常运行。该系统由6个GNSS连续运行参考站和一个数据处理中心组成，数据管理中心位于长沙市勘测设计研究院办公楼内，基站分布图如图3所示。系统采用美国Trimble公司的网络RTK的虚拟参考站(VRS)技术。参考站接收机采用双卫星系统接收机NetR5。接收机天线采用精密大地测量型天线。数据中心处理软件采用Trimble公司提供的GNSSnet 21510(含RTKnet模块)、GPStream软件。项目获2009年度湖南省科技进步三等奖。

图3 长株潭CORS基站分布图

4.2 RTK纵断面测量精度分析

假定断面坐标理论值为(XL，YL)，RTK测设值为(XRTK，YRTK)，全站仪测设值为(X全，Y全)，则全站仪测设值和RTK测设值与设计值距离差分别根据如下(1)式和(2)式计算:

为了比较传统方法与网络RTK方法测设中桩的精度，本文对某一线路段的中桩采用两种方法分别进行了测设，将全站仪和RTK的中桩测设值按式(1)计算出了与设计值的距离差。图4和图5给出了的RTK和全站仪中桩测设值在桩号0+020～0+700与设计值的距离差曲线图，图6给出了RTK和全站仪中桩测设距离差随不同距离差区段的分布变化图，表1则列出了两种方法的中桩测设值与设计值的距离偏差统计值。

图4 RTK和全站仪中桩测设值与设计值的距离差曲线图(0+020～0+340段)

图5 RTK和全站仪中桩测设值与设计值的距离差曲线图(0+360～0+700段)

图6 RTK和全站仪中桩测设距离差随不同距离差区段的分布变化图

RTK和全站仪中桩测设值与设计值的距离差统计值 表1

从表4和图5可以看出，RTK测设值与设计值距离差曲线多数情况下处于全站仪测设值与设计值距离差曲线的下方，图6分布变化图表明RTK测设值与设计值距离差主要分布集中于 2 cm～6 cm区段范围，全站仪测设值 2 cm～10 cm的更大区段范围，表1的数据也显示RTK测设值与设计值距离差的平均偏差和标准差统计值均低于RTK测设值与设计值距离差的对应统计值。上述分析表明:RTK的测设结果要明显优于全站仪的测设结果。

4.3 RTK横断面测量结果

为了直观看出RTK测量横断面的准确性，本文根据两个线路工程项目的RTK测量结果，绘制了设计断面与RTK断面测量点的测量位置比较图，如图7、图8、图9和图10所示，其中图7和图8所在线路段为直线段，图9和图10所在线路段为曲线段。图中实线表示设计断面的位置，圆圈点表示RTK测量点的位置(为了保持图形的清晰，点号没有绘出)。

图7 设计断面与RTK断面测量点的测量位置比较图(0+700～0+820段)

图8 设计断面与RTK断面测量点的测量位置比较图(0+820～0+940段)

图9 设计断面与RTK断面测量点的测量位置比较图(0+340～0+480段)

图10 设计断面与RTK断面测量点的测量位置比较图(0+200～0+340段)

从图7、图8、图9和图10中可以很清晰地看出，无论线路走向是直线段还是曲线段，多数RTK断面测量点与设计断面线非常接近，符合程度非常好，这表明RTK的横断面测量结果能够达到较高的准确性，能很好地满足线路测量中横断面测量的要求。

5 总结与展望

综上所述，采用网络RTK技术所测的平面和高程都能达到较高的精度，中桩测设的精度明显优于传统测量方法，RTK的横断面测量也能达到较高的准确性，综合其不受通视限制、采集快速、界面友好方便性、单人即可作业等优点，可以表明:网路RTK技术为城市线路测量工作的开展带来了巨大的优势，极大提升了作业方便性、作业效率以及作业准确性。但RTK仍不能完全取代传统的仪器，这是由于当有高障碍物遮挡时，受到可用卫星数减少和卫星几何结构减弱的影响，RTK仍然不易收敛。随着伽利略卫星定位系统的建设和中国北斗系统的逐步投入运行，可用卫星数将得到增加，这一问题将不断得到改善，网络RTK的前景将更为巨大。

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