李燕軍,龔真春,李相全,石小濤,李春林

(61243部隊(duì),甘肅 蘭州 730020)

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單基站CORS-RTK在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用

李燕軍,龔真春,李相全,石小濤,李春林

(61243部隊(duì),甘肅 蘭州 730020)

相比較于常規(guī)RTK和多基站CORS及網(wǎng)絡(luò)RTK,單基站CORS有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)述了單基站CORS的基本構(gòu)成和原理及其優(yōu)點(diǎn)和不足。以單基站CORS在某市政公路改擴(kuò)建工程測(cè)量中應(yīng)用為例,給出其在道路1:500數(shù)字帶狀地形圖繪制和道路放樣的測(cè)量結(jié)果及精度分析。實(shí)際應(yīng)用表明,單基站CORS-RTK可明顯提高作業(yè)效率,能滿足一定的精度要求。

常規(guī)RTK;多基站;單基站;CORS-RTK;道路測(cè)量

0 引 言

連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(CORS)技術(shù)是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)在應(yīng)用方面的一項(xiàng)重大突破,目前已在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的正式投入運(yùn)營(yíng),為推動(dòng)和加快BDS應(yīng)用,壯大產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,現(xiàn)已掀起第二輪CORS系統(tǒng)的建設(shè)浪潮,如新建成的四川、河南北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng);以及陸續(xù)開(kāi)展對(duì)已建成的省(區(qū))、市級(jí) CORS系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造,如安徽省CORS、江蘇省CORS、北京CORS等等。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者就CORS系統(tǒng)的理論技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究,黃俊華等全面闡述CORS的發(fā)展歷程、特點(diǎn)、建設(shè)和應(yīng)用情況[1];陳俊勇就我國(guó)CORS系統(tǒng)的建設(shè)現(xiàn)狀、問(wèn)題及協(xié)調(diào)發(fā)展提出了建議[2];王智超詳細(xì)研究了單基站精度測(cè)試與分析方法[3];文獻(xiàn)[4]對(duì)CORS的實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]將CORS系統(tǒng)成功應(yīng)用于礦山測(cè)量等。

CORS系統(tǒng)有不同的分類方式,一般可分為單基站CORS、多基站CORS和網(wǎng)絡(luò)RTK. 同常規(guī)的RTK、多基站CORS系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)RTK相比,單基站CORS-RTK系統(tǒng)有其自身的優(yōu)勢(shì)。本文簡(jiǎn)要敘述了單基站CORS系統(tǒng)的基本組成和工作原理,分析比較了其優(yōu)點(diǎn)與不足,以南方單基站CORS系統(tǒng)在某市政公路改擴(kuò)建工程測(cè)量中應(yīng)用為例,給出了其在道路1:500帶狀地形圖測(cè)制和道路曲線放樣的過(guò)程、測(cè)量結(jié)果及精度分析。

1 單基站CORS系統(tǒng)的基本構(gòu)成及原理

單基站CORS系統(tǒng)是指只有一個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站,類似于“1+1”或“1+N”的RTK,只不過(guò)基準(zhǔn)站由一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站代替。

單基站CORS系統(tǒng)由GNSS參考站(基站)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和流動(dòng)站組成。如圖1所示。

圖1 單基站CORS系統(tǒng)的構(gòu)成

單基站CORS系統(tǒng)在原理上與普通參考站基本相同,每個(gè)基準(zhǔn)站服務(wù)于一定作用半徑內(nèi)所有的用戶?；鶞?zhǔn)站連續(xù)不間斷的觀測(cè)GNSS的衛(wèi)星信號(hào)獲取該地區(qū)和該時(shí)間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù),并將數(shù)據(jù)打包存儲(chǔ)在服務(wù)器,移動(dòng)站用戶接收定位衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào),并解算出概略地理位置坐標(biāo),并通過(guò)數(shù)據(jù)通訊模塊GPRS/CDMA 從服務(wù)器獲取基準(zhǔn)站提供的差分信息后,進(jìn)行GNSS實(shí)時(shí)差分解算。同時(shí),移動(dòng)站用戶在野外完成靜態(tài)測(cè)量后,也可以從基準(zhǔn)站下載同步時(shí)間的靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

2 單基站CORS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足分析

理論和實(shí)踐應(yīng)用表明,同常規(guī)RTK、多基站CORS和網(wǎng)絡(luò)RTK的相比,單基站CORS系統(tǒng)具有以下明顯優(yōu)勢(shì)[6]:

1) 投入較少:可充分利用現(xiàn)有設(shè)備資源,只需較少投資就可在中小城市建立一個(gè)單基站CORS系統(tǒng),滿足當(dāng)?shù)夭煌脩粜枨蟆?/p>

2) 靈活性強(qiáng):根據(jù)實(shí)際需要,在滿足GNSS觀測(cè)條件的前提下,可隨用隨設(shè),機(jī)動(dòng)靈活地建立CORS站,基站可長(zhǎng)期保留,亦可臨時(shí)撤銷。

3) 便于升級(jí)和擴(kuò)展:當(dāng)需要升級(jí)為多基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)RTK時(shí),只要投入較少的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí),單基站CORS系統(tǒng)即可完成到網(wǎng)絡(luò)RTK的升級(jí)。

4) 施工周期短、見(jiàn)效快:從方案論證、開(kāi)工建設(shè)、設(shè)備調(diào)試,到驗(yàn)收運(yùn)行,整個(gè)周期可在1個(gè)月內(nèi)完成。

5) 設(shè)備使用和作業(yè)效率高:系統(tǒng)建成之后,只需保留一個(gè)GNSS接收機(jī)作為長(zhǎng)期運(yùn)行基準(zhǔn)站,其余都可作為流動(dòng)站使用;作業(yè)時(shí),基站無(wú)須專人值守,流動(dòng)站單人作業(yè),作業(yè)速度快,勞動(dòng)強(qiáng)度低,節(jié)省成本,作業(yè)效率高。

6) 覆蓋范圍廣:傳統(tǒng)的RTK受電臺(tái)傳播距離的限制,通常作業(yè)半徑為5～7 km左右。單基站CORS系統(tǒng)由CDMA/GPRS等電信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)取代傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)電臺(tái)方式,只要有手機(jī)信號(hào)的地方即可以進(jìn)行作業(yè),作業(yè)半徑可達(dá)40～80 km左右,且精度達(dá)到厘米級(jí)。

7) 數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定、安全:基站不間斷連續(xù)觀測(cè),全天候采集數(shù)據(jù),用戶采取登錄授權(quán)方式,由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一管理登錄用戶,數(shù)據(jù)安全性高。

單基站CORS系統(tǒng)的主要不足為:對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求較高,一旦單基站CORS系統(tǒng)發(fā)生故障或崩潰,將導(dǎo)致無(wú)法作業(yè);距離基站越遠(yuǎn),移動(dòng)站初始化時(shí)間就越長(zhǎng),導(dǎo)航定位精度會(huì)越差;覆蓋范圍較之多基站或網(wǎng)絡(luò)RTK而言仍是有限。

3 南方單基站CORS系統(tǒng)在市政公路測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 工程背景

某市環(huán)城道路改擴(kuò)建工程?hào)|西長(zhǎng)約30 km,地形整體為東高西低,彎道較多,道路兩側(cè)建筑物及各種電力、管線較為密集,車(chē)流量大,通視條件不佳,給測(cè)量和施工帶來(lái)諸多不便。

考慮到作業(yè)環(huán)境,若采用傳統(tǒng)方法難以在要求時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量任務(wù)實(shí)際,決定利用本市建立的單基站CORS系統(tǒng)進(jìn)行1∶500數(shù)字帶狀地形圖測(cè)制和道路施工放樣。該系統(tǒng)精度指標(biāo)為:20 km以內(nèi)水平10 mm+1 ppm,高程20 mm+1 ppm;20～40 km,水平20 mm+1 ppm,高程40 mm+1 ppm. 全站儀采用俫卡TPS1202型號(hào),測(cè)角精度:2";測(cè)距精度: 2 mm+2 ppm×D;所采用軟件為南方“工程之星3.0”和Cass7.0數(shù)字成圖軟件。

3.2 1∶500數(shù)字帶狀地形圖測(cè)制

帶狀地形圖測(cè)量同樣遵循“先控制、后碎步”的測(cè)圖原則,其首級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)成果及施工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)由甲方提供,施工放樣前對(duì)其進(jìn)行了復(fù)測(cè),復(fù)測(cè)結(jié)果在誤差規(guī)定范圍之內(nèi)。加密控制測(cè)量、碎部點(diǎn)測(cè)量均使用單基站CORS-RTK作業(yè)模式,數(shù)字帶狀地形圖的平面和高程精度檢查按下列公式[7]:

(1)

高程中誤差

(2)

帶狀圖測(cè)繪完成后,在地形圖中均勻選取一些明顯特征點(diǎn),如房屋角點(diǎn)、涵洞、橋墩和道路折點(diǎn)等作為檢測(cè)點(diǎn),采用常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行檢測(cè),其中平面點(diǎn)檢測(cè)坐標(biāo)由全站儀極坐標(biāo)法回采所得,高程由四等水準(zhǔn)測(cè)量獲得。

限于篇幅,僅給出部分檢測(cè)結(jié)果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1數(shù)據(jù),由式(1)、式(2)計(jì)算可知數(shù)字帶狀地形圖平面精度為Mx=2.8 cm,My=3.1 cm,Mh=4.2 cm,符合本道路測(cè)量精度要求。

3.3 道路中樁放樣測(cè)量

路線中線施工放樣就是利用測(cè)量?jī)x器和設(shè)備,按設(shè)計(jì)圖紙中的各項(xiàng)元素(如公路平縱橫元素)和控制點(diǎn)坐標(biāo)(或路線控制樁),將公路的“中心線”準(zhǔn)確無(wú)誤地放到實(shí)地,指導(dǎo)施工作業(yè)。中心線路實(shí)際上是由空間的直線段和曲線段組合而成,傳統(tǒng)放樣方法主要有拔角放線法、支距放線法、全站儀極坐標(biāo)法及常規(guī)RTK方法等。采用南方單基站CORS系統(tǒng)及軟件“工程之星3.0”放樣時(shí),非常便捷,放樣時(shí),可將設(shè)計(jì)好的已知坐標(biāo)導(dǎo)入手簿,按放樣點(diǎn)的方法進(jìn)行;如果道路中線坐標(biāo)未知,可按將道路設(shè)計(jì)條件輸入手簿,由手簿所提供的解算軟件按一定的里程進(jìn)行主點(diǎn)和細(xì)部點(diǎn)的坐標(biāo)解算,然后按點(diǎn)的放樣方法進(jìn)行放樣。具體過(guò)程可參閱操作手冊(cè)。

利用上述方法將道路中樁放樣于實(shí)地后,用全站儀進(jìn)行精度檢測(cè),部分檢測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2可知,中樁放樣的X最大誤差為3.3 cm,Y最大誤差為4.4 cm,H最大誤差為4.8 cm,均在規(guī)定限差之內(nèi)。

表1 1∶500數(shù)字帶狀地形圖測(cè)量精度統(tǒng)計(jì) (單位:m)

表2 單基站CORS-RTK的中樁放樣精度統(tǒng)計(jì) (單位:m)

4 結(jié)束語(yǔ)

使用傳統(tǒng)測(cè)量方式進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)制及道路施工放樣時(shí),存在工作繁瑣,測(cè)量周期長(zhǎng),工作效率低等諸多問(wèn)題。CORS技術(shù)以其工作效率高、實(shí)時(shí)靈活、高精度的優(yōu)點(diǎn),逐漸替代了原有的傳統(tǒng)測(cè)量方法。本文采用單基站CORS-RTK進(jìn)行道路工程測(cè)量,最大限度地減輕了工作量,工作效率大幅提升,測(cè)量精度符合要求,保證了工程效益。

[1] 黃俊華,陳文森.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[2] 陳俊勇,黨亞民. 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的進(jìn)展及建設(shè)CORS 的思考[J].地理空間信息,2009,7(3):2-3.

[3] 王智超. 單基站CORS-RTK精度測(cè)試與分析[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[4] 畢京學(xué),郭英,張鼎凱,等.基于CORS的高精度實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法探究[J].測(cè)繪科學(xué),2015,40(1):98-100.

[5] 尚洪俊.CORS系統(tǒng)的構(gòu)建及其在礦山測(cè)量中的應(yīng)用[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程,2014.

[6] 魏瑞娟,李學(xué)軍,任維成等.單基站CORS的建設(shè)與應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào),2010(6):25-26.

[7] 潘正風(fēng),楊正堯等.數(shù)字測(cè)圖原理與方法[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.

Application of the Single Base Station CORS-RTK in Road Engineering Surveying

LI Yanjun,GONG Zhenchun,LI Xiangquan,SHI Xiaotao,LI Chunlin

(61243Troops,Lanzhou730020,China)

Compared with the normal RTK, Multi-base Station CORS and network RTK, the single base station CORS has particular superiority. This paper briefly introduces the structure, principle, advantages and disadvantages of the single base station CORS. Combining with municipal road engineering examples, it mainly gives the processes, results, precision of 1∶500 digital topographic maps surveying and road setting out, The practical application of Single Base Station CORS-RTK can obviously improve work efficiency and satisfy accuracy demand.

Normal RTK; multi-base station; single base station; CORS-RTK; road engineering surveying

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.015

2016-09-26

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0067-04

李燕軍 (1973-),男,工程師,主要從事航測(cè)外業(yè)和工程測(cè)量。

龔真春 (1973-),男,高級(jí)工程師,主要從事大地測(cè)量和GNSS導(dǎo)航定位方面的研究。

李相全 (1970-),男,工程師,主要從事航測(cè)和工程測(cè)量。

石小濤 (1979-),男,工程師,主要從事航測(cè)和工程測(cè)量。

李春林 (1978-),男,工程師,主要從事大地測(cè)量。

聯(lián)系人: 龔真春E-mail:1076695185@qq.com