浅析RTK在公路测量中的应用

摘要：本文阐述了GPS RTK系统的工作原理，介绍了GPS RTK测量在公路测量中的应用。

关键词：RTK；公路测量；应用

中图分类号：TU7文献标识码：A 文章编号：

1 GPS RTK系统的工作原理

RTK技术(real time kinematic)即载波相位差分技术,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。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。基准站包括:GPS接收机、GPS天线、无线电通讯发射设备、电源、基准站控制器等设备。流动站的基本配置是:GPS天线、GPS接收机、无线电通讯接收设备、电源、流动站控制器。用户站上的GPS接收机,在同步接收GPS卫星信号的同时,通过无线电设备,接收基准站传输的观测数据及坐标信息,然后根据相定位原理,实时提供用户站的三维坐标,其精度能达到厘米级。

1.1 GPS接收机

RTK测量系统中至少包含两台GPS接收机, 其中一台安置在基准站上,另一台或若干台分别安置在不同的流动站上。基准站应尽可能设在测区内地势较高,且观测条件良好的已知点上。在作业中,基准站的接收机应连续跟踪全部可见GPS卫星,并将观测数据通过数据传输系统实时发送给流动站。

1.2 数据传输系统

基准站与流动站之间的联系是靠数据传输系统(数据链)来实现的。数据传输设备是完成实时动态测量的关键设备之一,由调制解调器和无线电台组成。在基准站上,利用调制解调器将有关数据进行编码和调制,然后由无线电发射台发射出去。在流动站上利用无线电接收台将其接收,并由解调器将数据解调还原,送入流动站上的GPS接收机中进行数据处理。

1.3 软件系统

实时动态测量软件系统应具备快速解算或动态快速解算整周模糊度、实时解算流动站的三维坐标、求解坐标系之间的转换参数、进行坐标系统的转换、解算结果的质量分析与评价、作业模式(静态、准动态、动态等)的选择与转换以及测量结果的显示与绘图等基本功能。

1.4 GPS RTK的数据处理

RTK的数据处理是在实时状态下在控制器内进行的,它根据最小二乘原理序贯递推算法处理每一个历元的观测值,其关键之处在于实时地搜索并惟一地判定相位观测值的初始整周未知数。常用搜索方法有消去法、模糊度函数法、整周未知数快速逼近(FARA)法。由于FARA方法采用到当前时刻为止的所有历元观测值,同时会自动追加观测值,验证解集的可靠性,因而不出现解发散问题,是目前较为成熟的方法。

2 GPS RTK测量在公路测量中的应用

2.1绘制大比例尺地形图

高等级公路选线多是在大比例尺(通常是1:2 000或1:1 000)带状地形图上进行。用传统方法绘制成大比例尺地形图,先要建立控制网,然后进行碎部测量,其工作量大、速度慢、花费时间长。用GPS RTK动态测量,在沿线每个碎部点上仅需停留几分钟,即可获得每点坐标,结合输入的点特征编码及属性信息,构成碎部点的数据,在室内即可由绘图软件成图。采集速度快,大大降低了测图的难度,省时又省力。

2.2工程控制测量

用GPS建立控制网,最精密的方法应属静态测量。对大型建筑物,如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制,宜用静态测量。而一般公路工程的控制测量,则可采用GPS RTK动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位的坐标。当达到要求的点位精度,即可停止观测,大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求必须通视,使得测量更简便易行。在公路设计路线上作控制测量时,选择合适的数据链方案,RTK技术就可在长边动态测量中大显身手。当边长超过20 km时,流动台观测15~30 min后,就会发现解开始趋向稳定,如果连续10 min内3维坐标分量的最大变动不超过±5×10-6D,且最后5 min内的互差小于2×10-6D,用户可根据精度决定是否继续观测,从技术上杜绝成果返工的可能性。

2.3公路中线测设

设计人员在大比例尺带状地形图上定线后,需将公路中线在地面标定出来。采用GPS RTK测量,只需将中线桩点的坐标输入GPS手簿中,系统就会定出放样的点位。由于每个点测量都是独立完成的,不会产生累积误差,各点放样精度趋于一致。

2.4公路纵、横断面测量

公路中线确定后,利用中线桩点坐标,通过绘图软件,即可绘出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的,因此不需要再到现场进行纵、横断面测量,从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时,也可采用实时GPS测量。与传统方法相比,在精度、经济、实用各方面都有明显优势。

2.5 施工测量

GPS RTK系统既有良好的硬件,也有极为丰富的软件可供选择。利用道路测设专用程序,使设计—测设—施工一体化。首先由任何道路设计软件计算出道路工程项目中关键的几何点坐标,并定义它们的平面和高程基准值。这些信息(包括设计模型)均可存于专用记忆卡上。在野外,根据设计基准给出的测站与偏差值完成有关桩位的测设与标定。在整个作业过程中,软件进行点位坐标的计算,并引导放样作业的全过程。

2.6机械化施工作业指挥系统

目前,随着微电子技术的进步,GPS RTK接收机的性能正在不断发展,集成化GPS RTK接收机已经问世,它能实时地提供每秒10次厘米级GPS定位成果输出,而点位成果的时间延迟不超过0.03 s。当它充当参考站时,能够为不同用户提供多路多项信息输出服务。因而不同的设备流动站用户可各取所需。当它用来充当流动站时,利用内装式软件控制系统,无需人工干预自动进行整周未知数的动态初始化解算,搜索时间小于1 min。可以设想,在大型筑路施工机械上安装这种定位系统后,仅需输入道路的设计资料,GPS RTK会引导机械去相应的部位进行施工,这中间的一切辅助测量工作全部可省略。作业精度完全由GPS RTK控制,记录并呈现在施工监理面前。

2.7 变形监测

变形监测网应具有毫米级精度,比一般工程控制网精度高一个数量级。同济大学在上海浦东和浦西区布设了一个GPS试验网。实践表明,如果用较长的观测时间,分几个时段进行观测,并采取强制对中、观测时天线指北等措施,长度不超过4 km的基线向量可达到±(2~3) mm的精度。随着研究深入,GPS广泛用于变形监测是完全有可能的。

3 结束语

3.1 RTK技术的成功应用,使线路测量工作变得简单、轻松,拓展了GPS的应用领域。

3.2 GPS RTK在公路勘测设计与施工放样中有着广泛的应用前景,是值得重视与开发的技术。

3.3 集成化的GPS RTK在道路机械化施工过程中,可有效地提高施工速度与质量,使全自动化施工成为可能。

3.4 数据通讯是GPS RTK作业中的薄弱环节,如何选择调制解调器的配置方案是使用者首先应考虑的问题。

4 结束语

传统的公路勘测工作辛苦,而且繁琐,存在着勘测周期长、工作效率低等诸多问题。最大限度地减轻公路勘测工作量、提高公路勘测效率和勘测精度,一直是公路勘测工作者孜孜以求的目标。目前,GPS技术的发展和普及为公路勘测技术的腾飞奠定了坚实的基础。RTK技术是大地测量、空间技术、卫星技术、无线电通讯与计算机技术的综合集成,在许多领域发挥着重大作用。在现代公路勘测中,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。

参考文献:

[1] 刘大杰等.全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M].上海:同济大学出版社, 2007.

[2] 王刊生,李林.GPS RTK技术在公路放样线中的应用.铁道勘察.2010，（3）.