GPS-RTK技术在高速铁路工程测量中的应用

摘要：随着我国经济的高速发展，高速铁路也随之发展迅猛，因此对于高速铁路的工程测量要求越来越高。近年来，高速铁路已经采用了很多电子设备及技术，但是由于受到作业条件的现实限制性问题，这些电子设备及技术在工程项目中很难应用，因此，GPS-RTK技术得到广泛应用。GPS-RTK技术具有很多优势，比如，定位精度较高，工作效率高，作业方法简单，误差累积较少等，越来越受到工程的青睐。目前，铁路中线测设、控制测量、开口线放样、断面复测等都需要应用GPS-RTK技术。

关键词：GPS-RTK技术；铁路工程；测量应用

Abstract: with the rapid development of China's economy, high-speed railway is developing rapidly, so the demands for high speed railway engineering surveying is getting higher and higher. In recent years, high-speed rail has adopted a lot of electronic equipment and technology, but due to the reality of operation condition restricted problem, these electronic equipment and the technology is difficult to application in engineering projects, as a result, the GPS - RTK technology is widely used. GPS - RTK technology has many advantages, such as high positioning accuracy, high efficiency, operation method is simple, less error accumulation and so on, more and more get the favour of engineering. At present, the railway line layout, control, measurement, open layout, section survey and so on all need applying GPS - RTK technology.

Keywords: GPS - RTK technology; Railway engineering; Measurement applications

中图分类号：U238文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

当测量长线铁路工程时，受到现实条件的限制，比如：工程项目通视条件差、通行条件不良，使得之前的电子设备及技术便显出了很多缺点，比如：工作量大、精度不能达到指标、定位不精确，不能达到工程项目的要求，而GPS-RTK技术以其精确、快速、实时性良好占据了很大优势。

一、GPS-RTK技术概述

全球定位系统（Global Positioning System）英文缩写为GPS，它是由美国研发并投入使用的全球卫星导航和定位系统，载波相位动态实时差分技术（Real Time Kinematic）简称为RTK，其作用是精确定位，在制定坐标系中实时提供测量点的三维坐标，精度可以达到cm。GPS-RTK技术是GPS测量技术和数据通信传输技术结合而成的系统，正是这两种技术的结合使得GPS-RTK技术拥有许多技术难以比拟的优点，从而得到飞速发展及广泛应用。

二、GPS-RTK技术工作原理

目前，GPS-RTK技术在实际应用中有三种测量方法：伪距差分、坐标差分和载波相位差分，而在GPS定位中精度最高的一种方法就是采用载波相位差分定位。

GPS-RTK系统定位主要由三部分组成 ，分别是基准站接收机、数据链及流动站接收机。其中，数据链包括基准站的发射电台和流动站的接收电台，流动站接收机包括支持RTK的软件系统。

GPS-RTK技术测量作业流程：接受任务，接收控制资料，参考站设置，转换参数求解，实时测量。

GPS-RTK在工作时，设备的设置十分重要，基准站应该设置在测量区域中央，架要设置在高处，四周不能有建筑物和小山包的遮挡，原理大功率发射源，比如：电视台、微波站、信号塔；远离高压输电线，避免周围磁场对基准站的干扰；手机、对讲机等应远离10m以外，并尽量避免大面积的水域。同时，基准站附近不能有干扰接收卫星信号的物体。流动站在测试时，应设置屏蔽卫星高度适当，稳定GPS天线，在双差固定解的置信度设置为99.9%下，方可采集数据。在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对，这样可以保证流动站的测量精度和可靠性，选择的控制点应该具有代表性，必须均匀的分布在整个测试区域。

GPS-RTK技术工作原理是在基准站上安置一台GPS接收机，另一台或者几台接收机放置于载体上，也就是流动站上，基准站和流动站要连续不断地同时接受同一时间相同的GPS卫星信号，这样基准站获得的观测样值和一致的位置信息进行对比，得到GPS差分改正值；在跟踪GPS卫星信号的同时接受来自基站的数据，将这个数据通过最小二乘搜索法（OTF）求解载波相位的整周模糊度，然后将这个改正值、卫星跟踪状态及接收机的工作状态通过无线电数据链电台传递给卫星的流动站，再通过相对定位模型获得精度指标和所在地相对基准站的坐标，来使得GPS观测值更加精确。正常情况下，一般都在地方独立坐标系中展开工程项目，这就需要对坐标转换系数进行计算，通过控制点来调整RTK系数，计算出坐标转换参数后，工程独立坐标的计算工作就能通过测量控制器来完成。

三、GPS-RTK技术具体应用及实例

RTK具备实时性、高精度、高效率的优点，在各种工程测量中得到了广泛的应用。同时，伴随着各项电子技术的进步和完善，RTK在高速铁路测量中也可以完成各项工作，并且获得精确而可靠的数据。

用RTK进行工程控制测量，第一，GPS 建立控制网，要想获得理论精度最高的方法就是进行静态测量。对于大型建筑物，适合采用用静态测量，比如互通式立交、特大桥、隧道等进行控制；而对于一般工程的控制测量，则比较适合采用实时GPS动态测量。这种动态测量方法在测量过程中能实时获得定位精度，由于点与点之间不要求必须通视，使得测量更简单、实施性强，大大提高了作业效率，减少劳动强度。第二，使用传统方法测图，在建立控制网之后要进行局部测量，目的是绘制成大比例尺地形图。传统方法的缺点是、工作量大、速度慢。然而，用实时 GPS 动态测量，可以获得局部点的数据，优点是在室内就可以用绘图软件画图，由于此时只需要输入其属性信息和采集局部点的坐标，这样就可以达到采集速度快的目的，大大降低了测量难度，大大减少人力物力，既省时又省力。第三，GPS-RTK测量技术可以应用于铁路中线放样，应用此技术放样工作一人就可以完成。把铁路线路参数，比如：曲线长度、线路起点、线路终点坐标、半径、转角、边坡坡度、线路断面数据等输入GPS-RTK的外部控制器，就可以放样。放样的时候屏幕上会显示箭头，指示出偏移方位和偏移量，如此一来就方便了前后左右移动，一直到误差小于设定的值为止。工人的放样方法比较灵活，既可以按桩号放样也可以按坐标放样，而且可以随时互换。放样时为了减少误差，测量到一定距离的时候，就要和邻近的控制点校正坐标数据，必须做到及时检查，如果有问题能够及时发现并及时修正。由于每个测量点的测量都是独立完成的，每个点放样精度趋于一致，因此不会产生累积误差。同时，GPS 接收机只需要在小范围内没有被遮挡部分，保证可以接收到信号，便能够满足中线测设的要求，尤其是在山区中线测设的应用中，可以大量减少转点及砍伐树木工作过程，节省大量的人力物力，提高测量、测绘的进度。

京石高速铁路是GPS-RTK技术具体应用的一个实例，项目线路长达18.85公里，在铁路基础建设过程中采用了GPS—RTK技术进行测量工作，线路经过清苑县清苑镇大福村、小福村、东顾庄，北店乡田各庄屯、东林水、中林水、西林水、林水屯，白团乡南营，冉庄镇靳庄、羊庄、小张庄、封庄、大张庄、姜庄、冉庄、东孙庄、张马庄。线上工程路基长5309.24m，桥梁长13540.76m。

在京石高速铁路项目中，第一，进行基准站设置。因为控制点和要进行测量的线路之间距离较远，因此，根据相关要求和规定在施测线路的附近布测了21个控制点作为GPS基准站进行测量。根据B级GPS静态相对测量精度，对平面控制网进行测量，对距离的要求是测量的每两个控制点之间相距1 千米左右，最大不超过2千米。第二，确定坐标转换参数，受本工程项目所在区域是平原并有大量村庄及田地的现实条件影响，很难用常规测量方法在短时间内完成测量工作，同时也难以保证精确度，因此选用GPS- RTK技术。这项工程项目采用的接收机是徕卡1200型的GPS接收机及徕卡GS15型的GPS接收机，施测时主要通过以下两种方法实现参数的转换：一是通过RTK设备中的测量控制器进行现场测量及计算，首先选择多个高程监测点，在控制器上输入这些高程监测点的坐标，在现场逐点定位进行观测至少需要5分钟，监测点的观测结束后，通过测量控制器对坐标转换参数进行计算。不过实验结果，这种方法需要的时间比较长；二是通过在步骤一中测量获得的所有控制点的经纬度来对当地坐标进行测量和计算，然后用内部中计算出来的坐标去转换参数，最后在测量控制器上输入所获得的参数。两种方法的实施表明，通过这种方法比较节省时间，测算出的参数准确度和精确度都比较高。通过上述方法计算出参数后就可以对项目各控制点进行检验测量，所有监测点的观测时间为3秒，再把GPS静态观测成果和RTK观测成果进行对照，结果表明，RTK观测的精度很高，达到了铁路工程测量对测量精度的要求。第三，应用GPS—RTK技术进行分项测量。首先，进行普通监测，对已经知道的观测点进行收集，通过相对静态技术对GPS控制点进行加密，随后利用RTK技术对控制点持续监测35分钟，让它符合局部区域进行分项工程的要求；再者，进行定线放样，将施测线路中线的曲线要素提前输入到测量控制器中，令其自动生成施测线路图。放线时，测点里程和它对应的偏移距离就能显示在控制器上，这样就能有利于开展放线工作。最后，进行地形的测绘工作，一个基准站可以同时为多个流动站工作，由此可以分成三个小组同时进行征地桩、路基开挖线、桥梁桩基础放样工作。本项工程施测点位于城乡结合部中，并且由于有大量高压变电线路，测量时GPS信号将受到严重阻碍。为了解决此问题，测量中我们采用全站仪和RTK技术相结合的方法来进行桩位放样。这种相结合的方法可以利用RTK技术进行测设，再通过全站仪测量局部，将一般的测绘技术和RTK技术一起使用，就可以顺利开展施工放样工作。

四、GPS- RTK技术的优点

GPS- RTK技术之所以得到广泛应用和它具有的优点是密不可分的。第一，操作简单，测量范围广。GPS接收机越来越轻便，在很大程度上减轻了工作人员的工作强度。第二，作业成本比较低，使用RTK技术不用设置很多控制点，这样大大减少了人力物力。第三，测试站点之间不用通视，只需要站点之间开阔即可。第四，定位精度比较高，从而没有误差累积，改变了的误差。

五、结语

近年来，随着国家高速铁路的大力建设，RTK 技术在铁路工程项目施工中有着广泛的运用。和传统的测量仪器相比，它有着精度高、省时、省工等特点。同时，空间技术的迅速发展和应用，使得测量手段得到了日新月异的变化，工程测量点位置的精度和测量手段的进步和提高给铁路工程项目建设带来了许多方便。通过工程中相应的数据处理程序，很大程度上减轻了测量人员的劳动的强度，因此RTK 技术在铁路施工领域有着广阔的应用前景。

参考文献：

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