趙 萌

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 GPS-RTK現(xiàn)狀

1.1 GPS-RTK測(cè)量基本原理

RTK(Real-Time Kinematic)定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還需采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出厘米級(jí)定位結(jié)果。RTK技術(shù)是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。

1.2 GPS-RTK測(cè)量精度

平面精度:10 mm+2×10－6D;高程精度:20 mm+2×10－6D。

流動(dòng)站至參考站點(diǎn)間精度用式(1)表示

式中 σ——標(biāo)準(zhǔn)差/mm;

a——固定誤差/mm;

b——比例誤差系數(shù)/(mm/km);

d——流動(dòng)站至參考站距離/km。

1.3 GPS-RTK測(cè)量范圍

GPS-RTK測(cè)量范圍根據(jù)數(shù)據(jù)鏈的傳播限制和定位精度要求確定，但GPS-RTK測(cè)量距離一般不宜超過10 km。根據(jù)測(cè)區(qū)的具體情況，可設(shè)置不同的發(fā)射天線高度和架設(shè)中繼站增長(zhǎng)傳播距離。

數(shù)據(jù)傳輸距離和測(cè)站天線高度理論關(guān)系為

式中 D——數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍半徑/km;

h1——基準(zhǔn)站天線高/m;

h2——流動(dòng)站電臺(tái)天線高/m。

1.4 GPS-RTK在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用

GPS-RTK以其較高的測(cè)量效率和良好的測(cè)量精度，在鐵路勘測(cè)中廣泛應(yīng)用，并且所占比例日漸加大，主要應(yīng)用于鐵路中線測(cè)量、橫斷面測(cè)量、地形碎部點(diǎn)測(cè)量及地質(zhì)鉆探孔位測(cè)設(shè)等。

2 影響GPS-RTK在鐵路測(cè)量精度的因素

近年來(lái)，GPS-RTK測(cè)量技術(shù)在鐵路勘測(cè)中得到普遍應(yīng)用，尤其在鐵路初定測(cè)項(xiàng)目中的地形圖核補(bǔ)、控制工點(diǎn)測(cè)量、橫斷面測(cè)量、中線測(cè)量等工序中成為主要勘測(cè)手段，在作業(yè)過程中，影響RTK測(cè)量質(zhì)量的情況仍時(shí)有發(fā)生，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行 RTK測(cè)量時(shí)，首先需要輸入控制點(diǎn)的WGS一84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)系坐標(biāo)，以此來(lái)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，據(jù)此得到轉(zhuǎn)換后的地方坐標(biāo)。這期間待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的精度存在著坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的損失。經(jīng)驗(yàn)表明，這種損失一般在1 cm左右，與控制點(diǎn)的精度和分布有關(guān)?？刂泣c(diǎn)的選擇是否恰當(dāng)，會(huì)直接影響轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解，進(jìn)而引起RTK測(cè)量成果的精度。值得關(guān)注的是，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是GPS-RTK測(cè)量的關(guān)鍵，稍有不慎，將會(huì)給整個(gè)工程帶來(lái)返工，甚至造成不可挽回的損失。

2.2 測(cè)量的地域性

在山區(qū)、林地或房區(qū)等衛(wèi)星信號(hào)不佳或無(wú)線電信號(hào)不好時(shí)進(jìn)行GPS-RTK測(cè)量時(shí)會(huì)影響其測(cè)量精度。

對(duì)2010年本院承擔(dān)的23個(gè)勘測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明:GPS-RTK測(cè)量的平面精度在0.05m范圍內(nèi)的占78.4%，高程精度在限差0.05m范圍內(nèi)的占95.5%。

在實(shí)際勘測(cè)中都是按照10%的比例進(jìn)行質(zhì)量檢查，因此，計(jì)算RTK測(cè)量正確率公式為

式中 β——測(cè)量數(shù)據(jù)正確率;

γ——質(zhì)量檢查正確率。

對(duì)GPS-RTK測(cè)量精度大于0.1m(2倍精度限差)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共有6個(gè)項(xiàng)目，詳見表1。

以上6個(gè)項(xiàng)目均位于內(nèi)蒙古或山西山區(qū)，地形復(fù)雜，高差變化大，干擾衛(wèi)星信號(hào)的因素多。以上分析說明，地形復(fù)雜等因素對(duì)GPS-RTK測(cè)量的正確率有一定影響。

2.3 對(duì)中桿誤差

當(dāng)天線高r=2m時(shí)，對(duì)中桿不同偏斜程度引起的測(cè)量誤差如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著對(duì)中桿傾斜角度的增加，平面坐標(biāo)偏差和高程坐標(biāo)偏差均越來(lái)越大。而平面坐標(biāo)偏差對(duì)桿的傾斜比較敏感，當(dāng)桿傾斜0.3°時(shí)，平面偏差就高達(dá)10.5 mm，此時(shí)，對(duì)中桿的傾斜導(dǎo)致的測(cè)量誤差和RTK的平面標(biāo)稱精度相當(dāng)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可靠。

表1 測(cè)量精度大于0.1m的項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)分析

圖1 對(duì)中桿偏斜引起測(cè)量誤差

3 提高RTK測(cè)量精度的措施

3.1 轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理求解

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是GPS-RTK測(cè)量的關(guān)鍵且與控制點(diǎn)的精度和分布有關(guān)，因此在轉(zhuǎn)換參數(shù)求解時(shí)，盡量用高等級(jí)的控制點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)，一般來(lái)講，平面控制點(diǎn)至少3個(gè)，高程控制點(diǎn)至少4個(gè)，分布應(yīng)該盡量均勻，能夠涵蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，一般相鄰控制點(diǎn)之間距離應(yīng)為3～5 km，以確保擬合精度要求。

參數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，控制點(diǎn)之間應(yīng)具備相互位置關(guān)系精確的WGS84大地坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，以確保轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性，且要求控制點(diǎn)必須在統(tǒng)一的平差網(wǎng)內(nèi)。

轉(zhuǎn)換參數(shù)求解后，必須進(jìn)行檢核?？梢栽谵D(zhuǎn)換控制點(diǎn)和其他控制點(diǎn)上用RTK方式測(cè)點(diǎn)，一方面檢核轉(zhuǎn)換參數(shù)，另一方面也檢核原控制點(diǎn)精度，并將精度高、分布均勻的控制點(diǎn)再作為轉(zhuǎn)換控制點(diǎn)，重新求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。經(jīng)多次比較后，確定最佳的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.2 作業(yè)過程規(guī)范化

(1)規(guī)范儀器操作

《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10601—2009)、《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10101—2009)、《改建鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB10105—2009)、《鐵路工程衛(wèi)星定位測(cè)量規(guī)范》(TB10054—2010)中都有對(duì)RTK測(cè)量技術(shù)、GPSRTK儀器操作有很詳細(xì)說明和要求，見表2、表3。

表2 GPS-RTK測(cè)量精度

表3 GPS-RTK測(cè)量具體技術(shù)質(zhì)量要求

GPS-RTK測(cè)量時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星強(qiáng)度要高，在進(jìn)行坐標(biāo)解算時(shí)，所采用的衛(wèi)星數(shù)越多，分布越均勻，則PDOP值越小，RTK的精確性和可靠性越高，且初始化的時(shí)間越短。一般情況下，在接收衛(wèi)星數(shù)保持5顆以上，且PDOP＜6時(shí)，才能進(jìn)行RTK測(cè)量。

作業(yè)時(shí)，接收機(jī)的對(duì)中、整平，天線高的量取，以及輸入已知點(diǎn)坐標(biāo)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)等都必須規(guī)范化操作，防止粗差的產(chǎn)生。

(2)觀測(cè)成果要注意復(fù)核

為了保證RTK的實(shí)測(cè)精度及可靠性，作業(yè)中必須注重成果的復(fù)核。成果的復(fù)核分為作業(yè)前復(fù)核、作業(yè)中復(fù)核和作業(yè)后復(fù)核。作業(yè)前復(fù)核是指在RTK作業(yè)前，先在已知點(diǎn)上檢測(cè)，新測(cè)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)較差符合要求后，才能進(jìn)行RTK測(cè)量;作業(yè)中復(fù)核一般是指在作業(yè)中采用不同起算點(diǎn)測(cè)定部分重合點(diǎn)，或在同一點(diǎn)上采用兩次觀測(cè)法觀測(cè)。作業(yè)后復(fù)核是指將RTK所測(cè)成果和既有的資料進(jìn)行比對(duì)，有出入的地方要進(jìn)行分析，剔除粗差。圖2為在既有地形圖上檢核RTK測(cè)量成果。

圖2 地形圖上檢核RTK測(cè)量成果

3.3 加強(qiáng)儀器的檢校

(1)RTK接收機(jī)的檢測(cè)

一般需要權(quán)威部門進(jìn)行RTK接收機(jī)主要性能的檢測(cè)，超出檢定證書規(guī)定的時(shí)間之外的儀器嚴(yán)禁外業(yè)使用。

(2)實(shí)地性能測(cè)試

長(zhǎng)時(shí)間沒有使用的儀器在使用前一定要實(shí)地檢測(cè)，主要包括硬件測(cè)試和軟件測(cè)試，比如電池性能、采集器的反應(yīng)情況等。還要進(jìn)行基線檢查，確保接收機(jī)符合標(biāo)稱精度要求。

(3)各種氣泡的校正

這一點(diǎn)往往容易被忽略，其實(shí)是很重要的一個(gè)檢查，測(cè)量時(shí)必須保證氣泡水平時(shí)是鉛直，才能有效提高測(cè)量精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

分析研究了影響GPS-RTK測(cè)量精度的因素，通過實(shí)例統(tǒng)計(jì)了GPS-RTK測(cè)量的實(shí)踐精度，介紹了一系列保證和提高測(cè)量精度的措施。GPS-RTK測(cè)量技術(shù)給現(xiàn)代鐵路測(cè)量帶來(lái)了重大的技術(shù)手段變革，極大地方便了測(cè)量工作，隨著其技術(shù)的不斷進(jìn)步，必將給鐵路測(cè)量帶來(lái)更大的便利。

［1］TB 10101—2009 鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］

［2］TB 10054—2010 鐵路工程衛(wèi)星定位測(cè)量規(guī)范［S］

［3］徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等．GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2001

［4］劉大杰，施一民，過靜郡．全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1996