鄧軍 王強(qiáng)

0 引言

隨著GPS硬件技術(shù)的不斷更新,定位理論研究的不斷深入,誤差模型的不斷精化,各種應(yīng)用軟件的成功開發(fā)使用,使定位系統(tǒng)的精密度、實(shí)時(shí)性和可靠性都得到了長足的發(fā)展與提高。由于整周模糊度的在航解算OTF(Ambiguity Resolution On The Fly)方法已經(jīng)成熟,高精度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS-RTK(Real Time Kinematics)目前廣泛地應(yīng)用于電力、公路、鐵路的勘測設(shè)計(jì)和施工放樣以及地質(zhì)石油勘探、大江大河的水文水資源調(diào)查等。

在修建鐵路前都要進(jìn)行地質(zhì)勘探測量,地質(zhì)鉆孔位置的放樣是地質(zhì)勘探的基礎(chǔ),由于GPS-RTK是以載波相位觀測量實(shí)時(shí)差分為依據(jù)的動(dòng)態(tài)定位技術(shù),它能在施測的過程中實(shí)時(shí)得到三維坐標(biāo)(平面坐標(biāo)及高程),且測量精度可達(dá)到厘米級(jí),這就使其應(yīng)用在鐵路鉆孔放樣測量中成為可能。

1 GPS-RTK工作原理與作業(yè)流程

1.1 基本原理

GPS靜態(tài)測量的方法是各個(gè)接收機(jī)獨(dú)立觀測,然后用后處理軟件進(jìn)行差分解算。對于RTK測量來說,仍然是差分解算,只不過是實(shí)時(shí)的差分計(jì)算。也就是說,兩臺(tái)接收機(jī)(一臺(tái)基準(zhǔn)站,一臺(tái)流動(dòng)站)都在觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù),同時(shí),基準(zhǔn)站通過其發(fā)射電臺(tái)把所接收的載波相位信號(hào)(或載波相位差分改正信號(hào))發(fā)射出去;流動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)也通過其接收電臺(tái)接收基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào);在這兩信號(hào)的基礎(chǔ)上,流動(dòng)站上的固化軟件就可以實(shí)現(xiàn)差分計(jì)算,從而精確地定出基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的空間相對位置關(guān)系。

1.2 GPS-RTK放樣測量流程

1)收集測區(qū)控制點(diǎn)資料。作業(yè)前應(yīng)先收集測區(qū)的控制點(diǎn)資料,包括控制點(diǎn)的坐標(biāo)、等級(jí)、中央子午線、坐標(biāo)系,是常規(guī)網(wǎng)還是GPS控制網(wǎng)、控制點(diǎn)的地形和位置是否適合作動(dòng)態(tài)GPS的參考站。如無可用控制點(diǎn),尚需布設(shè)及測求GPS控制網(wǎng)。

2)測區(qū)布置及參數(shù)設(shè)置。在實(shí)施放樣測量前,應(yīng)對整個(gè)測區(qū)進(jìn)行合理布置,一般應(yīng)將測區(qū)分成若干個(gè)測段(測段長不超過10 km),且應(yīng)使每個(gè)測段的控制點(diǎn)較均勻的分布在測段內(nèi)。同時(shí),還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù),如定義要求的配置集、數(shù)據(jù)保存位置、坐標(biāo)系統(tǒng)、天線類型、限差、衛(wèi)星高度角等。

3)求出測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)。實(shí)際作業(yè)時(shí),根據(jù)控制點(diǎn)的分布情況,選用每個(gè)測段內(nèi)至少3個(gè)以上分別有WGS-84地心坐標(biāo)和北京54坐標(biāo)或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)的控制點(diǎn),由水準(zhǔn)網(wǎng)資料可獲得選用點(diǎn)的高程,利用系統(tǒng)的相關(guān)軟件可求解出各測段的7個(gè)(或 3個(gè))轉(zhuǎn)換參數(shù)。為了得到RTK高程,還要求取測段比較準(zhǔn)確的高程異常模型。

4)基準(zhǔn)站的選定和安置。根據(jù)各測段的控制點(diǎn)情況,選擇堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、地勢較高、臨空面廣闊、交通方便的位置作為基準(zhǔn)站的架設(shè)點(diǎn)。為保證測量精度,基準(zhǔn)站一般架設(shè)于各測段的中部,在基準(zhǔn)站接收機(jī)上輸入WGS-84坐標(biāo),各相關(guān)參數(shù)、天線高、作業(yè)名、測站名等。

5)野外放樣測量。通過衛(wèi)星預(yù)報(bào),選擇最佳觀測時(shí)間,實(shí)測時(shí)在流動(dòng)站要正確輸入各項(xiàng)參數(shù)及設(shè)計(jì)線路坐標(biāo),并做好初始化工作。

2 GPS-RTK在渝黔鐵路鉆孔放線測量中的應(yīng)用

2.1 工程概況

渝黔快速鐵路,是國家規(guī)劃的“八縱八橫”鐵路客運(yùn)主干線,渝黔快速線北起重慶市沙坪壩區(qū)上橋的新重慶站,線路基本沿舊川黔線,經(jīng)過綦江→遵義→貴陽。全長347.67 km,投資300億元,平均每千米造價(jià)8 700萬元,設(shè)計(jì)時(shí)速200 km。建成以后,南北兩端將分別與貴廣快鐵和蘭渝線連接,成為一條聯(lián)貫西北→西南→華東南的客運(yùn)主干線;是國家西部大開發(fā)重點(diǎn)工程之一。線路所經(jīng)過的渝南黔北都為山區(qū),且沿線居民點(diǎn)較多,通視條件較差,地質(zhì)鉆孔放樣測量工作量大,采用常規(guī)的測量方法難以在較短的時(shí)間內(nèi)完成放樣工作,采用了3臺(tái)中海達(dá)V8接收機(jī)進(jìn)行放樣測量工作。

2.2 已有控制點(diǎn)及放樣測量

整個(gè)線路在勘察設(shè)計(jì)前期由中鐵二院布設(shè)了41對共82個(gè)D等GPS點(diǎn),兩個(gè)點(diǎn)之間通視,所有的成果都轉(zhuǎn)換成了北京54坐標(biāo)。這就為放樣測量提供了設(shè)置基準(zhǔn)站的便利條件。為了求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),在已有的GPS控制網(wǎng)中選擇分布均勻的部分點(diǎn)位,采用GPS靜態(tài)測量技術(shù)測定各點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo),由于放樣線路距離較長,地勢復(fù)雜,考慮到動(dòng)態(tài)GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈的傳遞及定位精度的要求,實(shí)際求解時(shí)將測區(qū)分成5 km～10 km的若干測段,對每個(gè)測段利用V8接收機(jī)上的參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3 精度分析

3.1 GPS-RTK測量精度與精度因子的關(guān)系

對遵義市紅花崗區(qū)段的220個(gè)RTK放樣點(diǎn)在1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行約束平差計(jì)算得各放樣點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差,并按不同的PDOP(PDOP為幾何精度衰減因子,它是反映GPS衛(wèi)星空間幾何位置分布對GPS測量影響的指標(biāo))值進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)誤差。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出如下結(jié)論:1)在RTK完成初始化之后,其測高精度已達(dá)到了儀器標(biāo)稱精度。2)受衛(wèi)星分布影響,隨著PDOP值的增大,標(biāo)準(zhǔn)差有增大的趨勢。當(dāng)PDOP＜2時(shí),觀測數(shù)據(jù)最優(yōu);當(dāng)2≤PDOP≤5時(shí),標(biāo)準(zhǔn)差與 PDOP＜2時(shí)無顯著差別;當(dāng)PDOP＞5時(shí),標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大,但仍優(yōu)于標(biāo)稱精度。3)接收衛(wèi)星數(shù)目為6顆～9顆的情況下,標(biāo)準(zhǔn)差變化不顯著,當(dāng)接收衛(wèi)星數(shù)為5顆時(shí),標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大,但仍能達(dá)到標(biāo)稱精度指標(biāo)。

3.2 RTK測量精度與控制點(diǎn)分布關(guān)系

本次施測中用來比測的控制點(diǎn)為2003年布設(shè)的E級(jí)GPS點(diǎn),在RTK測量過程中,每測一個(gè)點(diǎn)都有精度顯示。GPS控制手簿內(nèi)精度控制的缺省值采用:平面0.015 m、高程0.020 m。所有比測的點(diǎn)均小于此誤差限,最大點(diǎn)位移為0.292 m,距基準(zhǔn)站的最大距離為5.30 km,最大高程較差為0.254 m。RTK測點(diǎn)位移的中誤差為0.095 m。

3.3 RTK測量精度與遮擋物影響關(guān)系

受客觀測量條件所限,在實(shí)際測量過程中一般很難避開遮擋物,接收衛(wèi)星信號(hào),數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射無線電信號(hào),都不可避免地受遮擋物的影響。參照張孝軍先生提出的測試方法[5],在BC段的茂密樹林里予以了測試。在無樹木遮擋地方初始化后,進(jìn)入樹林中樹木相對稀疏的地方進(jìn)行測量。此時(shí)測量中初始化信息無丟失,數(shù)據(jù)鏈通訊較穩(wěn)定,點(diǎn)位移與高程較差都不大,地形吻合較好。但當(dāng)進(jìn)入樹林中央茂密的地方,就出現(xiàn)測點(diǎn)位移大,初始化信息丟失,且很難重新初始化的現(xiàn)象,測量無法得到繼續(xù)。另在通訊信號(hào)發(fā)射塔及高壓線附近測量結(jié)果偏差明顯增大,無法正常測量,當(dāng)距離達(dá)到500 m后基本正常,對于在這500 m內(nèi)的測量可仍用常規(guī)方法予以施測。

3.4 RTK測量精度與基準(zhǔn)站點(diǎn)位關(guān)系

首先考慮基準(zhǔn)站與測點(diǎn)的距離對RTK測量精度的影響,只要滿足點(diǎn)位距基準(zhǔn)站距離在6 km以內(nèi)即可。其次考慮基準(zhǔn)站與測點(diǎn)高差的影響,在測量過程中,應(yīng)選擇在PDOP＜5、可用衛(wèi)星為5顆以上的情況下進(jìn)行觀測,同時(shí)應(yīng)保證測量點(diǎn)位距基準(zhǔn)站距離在6 km范圍以內(nèi),可以滿足1∶500及更小比例尺的地形測量精度的要求。

4 結(jié)語

GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用是對地質(zhì)鉆孔放樣測量的一次根本性變革和發(fā)展。實(shí)踐證明,RTK技術(shù)運(yùn)用于鐵路勘測可顯著提高工作效率、縮短工期、降低成本,同時(shí)具有精度高、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。在用GPS-RTK進(jìn)行測量時(shí)需合理布置控制點(diǎn)位,同時(shí)要不斷進(jìn)行質(zhì)量校核以充分保證測量的準(zhǔn)確性。

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