GPS-RTK技术在铁路测量中的应用

宋 蕾

（中铁港航局集团 第二工程有限公司，广东 广州510800）

0 前言

传统的GPS测量方法，无论是从动态还是静态方面，其cm的精准度均需要在完成测量后进行相应的解算。由于采用了实时动态差分法，因此能够实现在野外也能对定位精度进行准确测量，其测量精准度能够明确到厘米以上。RTK技术的出现为各类测量控制工作指引了发展的方向，促使野外作业效率得到显著提高，因此，已广泛应用于铁路测量中。

1 RTK技术的特点

1.1 RTK的硬件条件及软件环境

RTK技术作业的设备配置应满足：GPS接收机及控制器2台、电源设备套以及电台1套。

目前应用最为广泛的数据处理软件有天宝公司的Trimble Geomatics Office、莱卡公司的SKY-PRO等[1]。RTK技术通常会要求软件具有对载波相位观测值进行实时求解的功能，并且需要依照相关参数与基准站位置对基准站的相对坐标进行求解。RTK还需具有基线解算、参数求解及数据的编辑及上传等多方面功能。

1.2 RTK的数据处理方法

1.2.1 整周未知数的搜索

RTK的数据处理完全是在控制器内进行操作。RTK将卡尔曼滤波技术作为原理对各个历元的观测值进行数据处理。 RTK数据处理工作的重点是迅速解出整周未知数。较为常见的搜索方法包括：消去法；模糊度函数法与优化Cholesky分解法等。其中优化Cholesky分解法所采用的是以现今时刻为终点的全部历元观测值，并且会相应地进行观测值的追加，因此，与其它方式相比较而言，优化Cholesky分解法具有较好的搜索效果。

1.2.2 地心、地方坐标之间的转换

通过GPS测量方法得到了7个不同的参数，如果想要将所有参数全部解出，则需要明确知道其中3个参数的值。求解7个参数的最低标准是已知3个值，如果已知数大于3，那么应该每次选取3个点进行其它参数的求解。之后通过多次比较，将具有较小可能的参数值进行剔除。几个已知参数的位置应该是有规律地分布在测量区附近的，在进行作业时，将其中的一个参数作为基准点，其余的地方性坐标通常为国家坐标点。数值计算是在投影面上进行的，之后再以平面坐标输出。

GPS计算的坐标是位于84坐标系下，我们通常采用的是北京54坐标系下的。依照之前求解出的3或7个参数值进行坐标系的成功转换。但要注意的是，此种转换参数只能用于圈定区域及其周边，外推精度值与内插相比偏低。

1.3 影响RTK精准度的因素

一般情况而言，会对RTK测量精度造成一定影响的主要因素为偶然及系统误差。由于已知点精度、对中误差以及基线解算精度等影响，RTK技术在实际应用时，基线解算精准度达10cm+1ppm；而基准站的精度范围为3cm。动态作业由于测距偏心，天线高误差等一般也在3cm以内，至于正常高拟合与内插精度取决于联测点数目与分布、拟合模型等，一般在5-10cm内是能够做到的[2]。RTK的测量精准度能够达到cm级甚至以上，能够达到铁路测量工作的标准。

2 GPS-RTK技术在铁路测量中的应用

2.1 测区平面控制网

在对铁路进行研究设计过程中，有一项关键性的工作便是铁路的定测。铁路定测工作主要包括交切测量、跨线测量以及中线测量等。在对铁路的中线进行放样工作之前，应先采用传统的GPS测量方法，沿线路铺设平面控制网，在进行解算后，将各点的平面坐标进行求解。两个相邻点之间的距离应控制在5至8km以内，同时与国家点进行联测，求出各点坐标，并且需考虑到平面投影变形的情况。测量区的位置会对投影的变形度造成直接影响，而铁路的全程线路又长短不一，所涉及的地域范围较广，不同线路的整体走向与其经过的地形也各不相同，因此变形的情况也存在着一定差异。在投影带的边缘位置，其变形程度为1/3 500以上，致使放样长度与实际长度之间存在差异，达不到放样标准。因此，应尽快采取如改变中央子午线等相应的解决措施，以此改善长度变形情况。

2.2 绘制大比例地形图

多数高等级的铁路选线是利用大比例变形图帮助完成的。在传统的测量方法中，是先建立全面控制网，之后再逐步进行分阶段测量，最终绘制出大比例的地形图。但传统的测量方法工作量偏大，且工作效率偏低，耗费了大量的人力与物力。但是，运用GPS-RTK技术进行铁路测量，将碎部点数据进行测量明确后，便可及时地绘制出软件图。在此过程中，只需掌握碎布点的实时坐标以及属性即可，因此测图难度得到大幅度降低，工作量相应减少，避免了人力资源的浪费。

2.3 铁路中线及边坡的放样

将GPS-RTK应用到铁路的中线及放样工作中去，能够有效节省人力资源，只需1人便可完成整项工作。将线路参数如线路起点终点坐标、曲线长度，转角、半径、线路断面数据，边坡坡度等输入RTK的外业控制器，即可放样[3]。此种放样方法简便且灵活，能够实现桩号与坐标放样的实时转换。在放样过程中，如果出现方位偏移的现象，在屏幕上会直接显示，并用箭头标出，以便于人为的更改。每个点的测量均是分开进行，因此不会出现较大范围的测量误差。GPS接受器的对于信号的接受并没有较大难度的限制，只需保证较小范围内的无遮挡，因此，无需对遮挡信号的树木进行砍伐，在加快测量速度的同时完成了对环境的保护。在进行放样工作时，为了尽量降低出现误差的概率，应固定范围地对坐标数据进行校正，及时解决其中出现的问题。

2.4 铁路纵、横断面的测量及变形观测

在明确铁路线路的中线后，依照中线中的桩点目标与绘图软件便可得出具体的铁路纵、横断面数据。其中所运用的数据均是通过采集得到，因此不必深入现场进行纵、横断面的测量，有效提高了工作效率。如遇到必须进行现场测量的情况，便可采用实时GPS测量方法。GPS-RTK与常规的测量方法进行比较，不仅更加经济实用且精准度也得到了显著提高。

通过大量的实践证明，如果变形观测的时间偏长，应采用分阶段进行观测的方式，并强制对中，长度在4km以内的基线向量能够达到2mm至3mm的精准度。

3 结语

现如今，GPS-RTK技术已在我国铁路建设中得到广泛的应用，其与常规的测量方式相比，能够有效提升测量工作效率并得到较高的精度。科学技术的不断发展，促使测量工作的方式手段也开始逐步发生转变，测量数据精度及方式的创新帮助提高了我国铁路建设的工作水平与质量，利用相关的数据处理技术，能够在减轻工作人员工作压力的同时，提升其效率，因此，GPS-RTK在今后具有较为广阔的发展前景。

［1］刘全恒.GPS-RTK 技术在铁路测量中的应用[J].硅谷，2011(5)：81-119.

［2］王梓曳.浅谈GPS-RTK技术在铁路测量中的应用[J].华章，2010(3)：157-160.

［3］何存见，岁有中，张新霞，郝永青.RTK在铁路测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2010（8）：112-113.