全球定位系统(GPS)及其RTK技术在公路测量中的应用

【摘 要】 介绍了GPS系统,重点阐述了RTK技术的原理、组成、特点等,并总结了GPS RTK技术在道路工程测量中的应用。

【关键词】 GPS;RTK;控制测量;公路勘测;放样;横断面;应用

【中图分类号】 TU18 【文献标识码】 C【文章编号】 1727-5123(2010)02-097-02

Global Positioning System (GPS) and RTK technology in the Highway Survey

【Abstract】 The GPS system, focuses on the principles of RTK technology, composition and characteristics, and summarizes the GPS RTK technology in road works measurement

【Key words】 GPS;RTK; Control surveying;Road surveying;Stake out;Cross section;Application

1引言

随着测绘科技的发展,全球定位系统(GPS)以其高精度、全天候、高效率和点间无需通视等优点在测绘界的各个领域内广泛应用,为国家的经济建设做出了重大贡献。特别是实时动态GPS(RTK)的出现,使传统的公路测量方法发生根本的变革,大大提高了工作效率和经济效益,对实现公路勘测设计的自动化水平具有重要意义。

2全球定位系统(GPS)及其RTK技术概述

2.1GPS概述。GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统,由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成,除此之外,测量用户还应有卫星接收设备(GPS接收机)。

2.2RTK技术概述。

2.2.1RTK技术简介:RTK技术全称是实时动态载波相位差分技术,是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术,是一种将GPS与数据传技术相结合,实时解算进行数据处理,在1～2秒的时间里得到高精度位置信息的技术。

2.2.2RTK技术的基本原理:RTK技术的工作原理是:取点位精度较高的首级控制点作为基准点,将基准站架设在该点上,对所有可见GPS卫星进行连续观测,基准站将接收到的所有卫星信息及基准站信息一起由通讯系统传送给各移动站。各移动站在接收卫星数据的同时还通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据,当移动站完成初始化工作后,控制器即可根据接收到的信息,利用相对定位原理实时计算并显示出厘米级的移动站动态位置。

2.2.3RTK系统的组成:RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。它是利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号,其中一台安置在已知坐标点上作为基准站,另一台用来测定未知点的坐标(移动站)。基准站根据该点的准确坐标求出其他卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站,移动站根据这一改正数来改正其定位结果,从而大大提高定位精度。

2.2.4RTK技术的优点。

2.2.4.1工作效率高:在一般的地形地势下,高质量的RTK设站一次即可测量完半径4km的测区,大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数,移动站一人操作即可,劳动强度底,作业速度快,提高了工作效率。

2.2.4.2定位精度高:只要满足RTK的基本工作条件,在一定的作业半径范围内(一般为4km),RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级。

2.2.4.3全天候作业:RTK 测量不要求基准站、移动站间光学通视,只要求满足“电磁波”通视,因此和传统测量相比,RTK测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制小。

2.2.4.4RTK测量自动化、集成化程度高,数据处理能力强:RTK可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统,无需人工干预便可自动实现多种测绘功能,减少了辅助测量工作和人为误差,保证了作业精度。

3GPS及其RTK在公路测量中的应用

公路工程的测量主要应用了GPS的两大功能:静态功能和动态功能。静态功能是通过接收到的卫星信息,确定地面某点的三维坐标;动态功能是通过卫星系统,把已知的三维坐标点位,实地放样地面上。

3.1用GPS、RTK技术绘制大比例尺地形图。高等级公路选线大多是在大比例尺带状地形图上进行,用传统方法测图,先要建立控制网,然后进行碎部测量,绘制成大比例尺地形图,其工作量大速度慢,花费时间长。用实时GPS动态测量,构成碎部点的数据,在室内即可由绘图软件成图,由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息,而且采集速度快,大大降低了测图的难度,既省时又省力。

3.2用GPS建立高精度的公路勘测首级平面控制网。用GPS建立控制网,最精密的方法当属静态测量。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RTK动态测量,这种方法在测量过程中能实时获得定位精度,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。

公路勘测首级平面控制网的任务是根据线路的基本走向布设控制点,作为测绘带状地形图、定线测量和施工放样的基础。下图是用GPS建立公路勘测首级平面控制网流程图。利用GPS建立控制网,可在现有国家大地点的基础上,进行控制点加密。一般是沿着公路路线每隔10Km左右布设一对GPS点,两个GPS点相距约1Km,且应通视良好。加密点的精度要求达到四等控制网的要求。实践证明,用GPS测量,通过平差处理,在几十公里范围内的点位误差一般在2cm左右,具有很好的可靠性,完全能达到《公路勘察规程》的要求。GPS测量工作效率较常规测量手段至少提高3倍以上,即便在跨越山脉、植被茂盛、地形复杂、通视条件极差的地区,照样能准确、快速地测定点位,大大减少了人力、物力,减少了野外工作量,减少了一些不必要的过渡点,具有很好的经济效益。3.3GPS、RTK用于线路勘测。在公路选线过程中,我们往往要按照勘测设计规范,本着尽量减少占用农田、少拆迁房屋并尽量利用旧路路基这样一个原则,为了准确设计好道路中线路使其符合设计要求,我们可以利用GPS、RTK技术,用车载GPS、 RTK接收机做流动站,沿原路中线按一定间隔采集数据,选择另一已知点为参考站,遇到重要地物,准确定位,最后将数据传入计算机,利用AutoCAD软件可以方便在计算机上选线。

3.4GPS、RTK用于公路中线放样。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上标定出来,并得到中桩点坐标及坐标文件。采用实时GPS测量,只需将中桩点坐标或坐标文件输入到GPS 电子手簿中,系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点的测量都是独立完成的,所以不会产生累计误差,各点放样精度趋于一致。

3.4.1用GPS、RTK进行公路中线放样的作业过程。

3.4.1.1在路线控制点上架设1台GPS接收机作为基准站,其他移动站用于测设路线点位和打桩作业。

3.4.1.2根据所设计的路线参数,利用路线计算程序计算路线中桩的设计坐标,也可由路线设计部门直接提供中桩坐标表。

3.4.1.3将路线中桩的设计坐标输入到GPS的电子手簿中。

3.4.1.4在移动站上操作电子手簿,输入要测设的中桩点号,利用手簿中安装的RTK采集程序进行点放样。显示屏上可及时显示当前杆位和设计点位的方向和距离,指示持杆人移动的方向。当屏幕显示杆位与设计点位重合时,电子手簿会以报警声等形式提示测量人员,此时在杆位处钉桩编号即可。

3.4.1.5在每个桩位按控制器的记录键,将桩号、坐标、高程记录于电子手簿的存储器,实现无纸化记录。

3.4.1.6将观测数据传入电脑,利用专业测绘成图软件(如南方CASS软件)绘制断面图。

3.4.2用RTK进行线路放样具有以下优点:

3.4.2.1不受通视条件的影响。

3.4.2.2实时动态显示测量成果,现场指示性好。

3.4.2.3作业效率高,速度快。

3.4.2.4精度高,可靠性好。

3.4.2.5中线放样同时可进行中桩抄平工作,减少外业工作量。

3.4.2.6软件功能强大,可进行二维、三维坐标放样,线放样、缓和曲线放样、点位储存等,并自由进行数据传输和数据交换。

3.5GPS、RTK用于公路横断面测量、带状地形图测量。在公路外业勘测中,横断面测量和带状图测绘的工作量较大,全站仪测量虽然精度较高,但受到通视条件的限制,效率不高,而且外业工作量很大,还容易受到人为因素的影响,造成一些失误。利用GPS不受通视条件约束的特点,可以实现高精度、快速测量纵、横断面和测绘带状图。

公路中线确定后,利用中线桩点坐标,通过绘图软件,即可给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,也可采用动态GPS测量,用RTK沿断面特征点进行测量,得到特征点的三维坐标,内业展绘即可得到断面图。

3.6GPS、RTK用于施工测量。动态GPS系统既有良好的硬件,也有极其丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷,精度可达到厘米级。随着动态GPS测量技术的不断发展、完善,将更加充分的显示出这一技术的高精度和高效益,它会为公路工程建设的发展和进步发挥更大的作用。

4影响RTK 成果精度的因素

一般来说,影响RTK成果精度的因素主要是GPS观测其有误差源,除此之外,还有受基线解算精度、基准点位精度、坐标系转换精度的影响,但是在RTK作业中,基线解算精度可以达到10cm+1μmD;基准点位精度平均在3cm之内;坐标系转换精度,对于10km基线亦在3cm以内,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连测点数目与分布、拟合模型等,一般在5～10cm内是能够做到的。

5结束语

用GPS及其RTK进行公路勘测,精度高、速度快,已被广泛应用于建立控制网、道路带状地形图测绘、定线测量、中线放样、断面测量等方面。GPS技术已经给公路勘测中的作业方法带来了巨大变革。展望未来,GPS技术在公路工程中的应用将会越来越广泛,将会产生更多更好的经济效益和社会效益。

参考文献

1JTJ/T 066-1998.公路全球定位系统(GPS)测量规范[S]

2刘基余等.全球定位系统原理及应用[M].北京.测绘出版社,1993

3国家质量技术监督局.中华人民共和国国家标准(GB/T 18314-2001

)全球定位系统(GPS).测量规范[S],2001