趙 萌
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)
RTK(Real-Time Kinematic)定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù),能夠?qū)崟r提供測站點(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)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還需采集GPS觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理,計(jì)算出厘米級定位結(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、地形測圖,各種控制測量帶來了新曙光,極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。
平面精度:10 mm+2×10-6D;高程精度:20 mm+2×10-6D。
流動站至參考站點(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——流動站至參考站距離/km。
GPS-RTK測量范圍根據(jù)數(shù)據(jù)鏈的傳播限制和定位精度要求確定,但GPS-RTK測量距離一般不宜超過10 km。根據(jù)測區(qū)的具體情況,可設(shè)置不同的發(fā)射天線高度和架設(shè)中繼站增長傳播距離。
數(shù)據(jù)傳輸距離和測站天線高度理論關(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——流動站電臺天線高/m。
GPS-RTK以其較高的測量效率和良好的測量精度,在鐵路勘測中廣泛應(yīng)用,并且所占比例日漸加大,主要應(yīng)用于鐵路中線測量、橫斷面測量、地形碎部點(diǎn)測量及地質(zhì)鉆探孔位測設(shè)等。
近年來,GPS-RTK測量技術(shù)在鐵路勘測中得到普遍應(yīng)用,尤其在鐵路初定測項(xiàng)目中的地形圖核補(bǔ)、控制工點(diǎn)測量、橫斷面測量、中線測量等工序中成為主要勘測手段,在作業(yè)過程中,影響RTK測量質(zhì)量的情況仍時有發(fā)生,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
在進(jìn)行 RTK測量時,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)。控制點(diǎn)的選擇是否恰當(dāng),會直接影響轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解,進(jìn)而引起RTK測量成果的精度。值得關(guān)注的是,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是GPS-RTK測量的關(guān)鍵,稍有不慎,將會給整個工程帶來返工,甚至造成不可挽回的損失。
在山區(qū)、林地或房區(qū)等衛(wèi)星信號不佳或無線電信號不好時進(jìn)行GPS-RTK測量時會影響其測量精度。
對2010年本院承擔(dān)的23個勘測項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明:GPS-RTK測量的平面精度在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)際勘測中都是按照10%的比例進(jìn)行質(zhì)量檢查,因此,計(jì)算RTK測量正確率公式為
式中 β——測量數(shù)據(jù)正確率;
γ——質(zhì)量檢查正確率。
對GPS-RTK測量精度大于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個項(xiàng)目,詳見表1。
以上6個項(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)星信號的因素多。以上分析說明,地形復(fù)雜等因素對GPS-RTK測量的正確率有一定影響。
當(dāng)天線高r=2m時,對中桿不同偏斜程度引起的測量誤差如圖1所示。從圖1中可以看出,隨著對中桿傾斜角度的增加,平面坐標(biāo)偏差和高程坐標(biāo)偏差均越來越大。而平面坐標(biāo)偏差對桿的傾斜比較敏感,當(dāng)桿傾斜0.3°時,平面偏差就高達(dá)10.5 mm,此時,對中桿的傾斜導(dǎo)致的測量誤差和RTK的平面標(biāo)稱精度相當(dāng),導(dǎo)致測量結(jié)果不可靠。
表1 測量精度大于0.1m的項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)分析
圖1 對中桿偏斜引起測量誤差
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)是GPS-RTK測量的關(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,盡量用高等級的控制點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換控制點(diǎn),一般來講,平面控制點(diǎn)至少3個,高程控制點(diǎn)至少4個,分布應(yīng)該盡量均勻,能夠涵蓋整個測區(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,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)。
(1)規(guī)范儀器操作
《高速鐵路工程測量規(guī)范》(TB10601—2009)、《鐵路工程測量規(guī)范》(TB10101—2009)、《改建鐵路工程測量規(guī)范》(TB10105—2009)、《鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范》(TB10054—2010)中都有對RTK測量技術(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測量精度
表3 GPS-RTK測量具體技術(shù)質(zhì)量要求
GPS-RTK測量時觀測衛(wèi)星強(qiáng)度要高,在進(jìn)行坐標(biāo)解算時,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,才能進(jìn)行RTK測量。
作業(yè)時,接收機(jī)的對中、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)觀測成果要注意復(fù)核
為了保證RTK的實(shí)測精度及可靠性,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,新測坐標(biāo)與已知坐標(biāo)較差符合要求后,才能進(jìn)行RTK測量;作業(yè)中復(fù)核一般是指在作業(yè)中采用不同起算點(diǎn)測定部分重合點(diǎn),或在同一點(diǎn)上采用兩次觀測法觀測。作業(yè)后復(fù)核是指將RTK所測成果和既有的資料進(jìn)行比對,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測量成果。
圖2 地形圖上檢核RTK測量成果
(1)RTK接收機(jī)的檢測
一般需要權(quán)威部門進(jìn)行RTK接收機(jī)主要性能的檢測,超出檢定證書規(guī)定的時間之外的儀器嚴(yán)禁外業(yè)使用。
(2)實(shí)地性能測試
長時間沒有使用的儀器在使用前一定要實(shí)地檢測,主要包括硬件測試和軟件測試,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)是很重要的一個檢查,測量時必須保證氣泡水平時是鉛直,才能有效提高測量精度。
分析研究了影響GPS-RTK測量精度的因素,通過實(shí)例統(tǒng)計(jì)了GPS-RTK測量的實(shí)踐精度,介紹了一系列保證和提高測量精度的措施。GPS-RTK測量技術(shù)給現(xiàn)代鐵路測量帶來了重大的技術(shù)手段變革,極大地方便了測量工作,隨著其技術(shù)的不斷進(jìn)步,必將給鐵路測量帶來更大的便利。
[1]TB 10101—2009 鐵路工程測量規(guī)范[S]
[2]TB 10054—2010 鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范[S]
[3]徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng),等.GPS測量原理及應(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