RTDS 的原理及在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用

白海東 苗昌偉

1 概況

隨著GPS技術(shù)的迅猛發(fā)展,RTK技術(shù)已越來越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,其在鐵路勘測(cè)中的可靠性和高效率已有了良好的體現(xiàn),但是由于電臺(tái)方式的局限性,網(wǎng)絡(luò)方式也開始被廣泛使用,目前最普遍的發(fā)展是臺(tái)站網(wǎng)的建設(shè),但是由于臺(tái)站網(wǎng)的建設(shè)資金高,投入大,周期長,又受區(qū)域局限。基于此,我們介紹一種新型單基站工作模式的網(wǎng)絡(luò)RTK-RTDS。

2 RTDS工作原理

RTDS在工作時(shí),參考站將自己所獲得的載波相位觀測(cè)值及測(cè)站位置,通過數(shù)據(jù)通鏈實(shí)時(shí)發(fā)給在其周圍工作的流動(dòng)站。于是這些動(dòng)態(tài)用戶就根據(jù)自己獲得的相同歷元的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位,進(jìn)而根據(jù)參考站的站坐標(biāo)求得自己的瞬時(shí)位置。這種工作方式最顯著的特點(diǎn)是解決了RTK數(shù)據(jù)鏈的問題,同時(shí)又有別于傳統(tǒng)意義上的單基站模式。

RTDS基站和服務(wù)器間的通信是通過手機(jī)卡GPRS的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行,其形式有些像傳統(tǒng)的電臺(tái)作業(yè)模式,但是又不等同于這種方式,外觀看來沒有電臺(tái)發(fā)射一類的裝置,單單只是一個(gè)接收機(jī)就可實(shí)現(xiàn)單基站架設(shè)。這個(gè)單基站的硬件設(shè)備有:帶有GSM功能的GPS1+1(最小配置)和服務(wù)器,開通GPRS的手機(jī)卡服務(wù)器軟件采用RTDS軟件,同時(shí)還要求有一個(gè)靜態(tài)IP地址。通過RTDS軟件來實(shí)現(xiàn)的,RTDS(Real Time Data Server)是一款在PC機(jī)安裝運(yùn)行的軟件,適用于Windows XP,Windows Vista系統(tǒng)。安裝的必要條件就是得有一個(gè)靜態(tài)IP地址。通過軟件設(shè)置一個(gè)端口接收基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),設(shè)置一個(gè)端口發(fā)送流動(dòng)的數(shù)據(jù)。接收基站的數(shù)據(jù)有兩種,一種方式是像傳統(tǒng)的架設(shè)網(wǎng)絡(luò)參考站一樣,通過一個(gè)串口將接收機(jī)連接上,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另一種方式是任意架設(shè)基準(zhǔn)站,通過GPRS連接上網(wǎng),基準(zhǔn)站將數(shù)據(jù)傳輸。這種方式靈活簡便,可以作為實(shí)際操作的一個(gè)常用手段。

在RTDS軟件中設(shè)置相關(guān)內(nèi)容,包括靜態(tài)地址,基站和流動(dòng)站的端口,還可以對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行設(shè)置,用密碼進(jìn)行登錄。將這些設(shè)置好后,進(jìn)行保存可以隨時(shí)調(diào)用,開機(jī)后默認(rèn)最后一次使用的設(shè)置。數(shù)據(jù)傳輸格式有:RTCM3.0,RTCM2.3,CMR+,CM R,RTCM-DGPS等幾種數(shù)據(jù)格式。

3 RTDS在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用及RTK的傳輸原理

RTDS在實(shí)際應(yīng)用中內(nèi)外業(yè)操作與電臺(tái)方式的 RTK差不多,鐵路測(cè)量前首先要采用靜態(tài)測(cè)量方法沿線布設(shè)平面控制網(wǎng),經(jīng)過嚴(yán)密平差解算,求出各控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)與高程。相鄰點(diǎn)間間距5 km～8 km,并與國家點(diǎn)聯(lián)測(cè),求出各控制點(diǎn)平面坐標(biāo)。這里需要考慮投影變形的影響,變形的程度與測(cè)區(qū)地理位置和高程有關(guān)。轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)采用作業(yè)測(cè)區(qū)內(nèi)4個(gè)～8個(gè)已知GPS控制點(diǎn)的兩套坐標(biāo)和高程進(jìn)行求解,求解轉(zhuǎn)換參數(shù)平面控制點(diǎn)不得少于3個(gè),高程點(diǎn)不得少于4個(gè),且應(yīng)包圍作業(yè)測(cè)區(qū)并均勻分布。為了保證測(cè)區(qū)間線路順接,每一個(gè)測(cè)區(qū)中應(yīng)采用3對(duì)及3對(duì)以上已知的GPS點(diǎn)參與求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。在本次RTK作業(yè)過程中,一般采用6個(gè)點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù),求解轉(zhuǎn)換參數(shù)均小于20 mm,每次作業(yè)前必須對(duì)已知GPS點(diǎn)進(jìn)行檢核,對(duì)比坐標(biāo)、高程應(yīng)符合限差要求,確保系統(tǒng)正常。做完這些工作后作外業(yè)操作也非常簡便,通過外業(yè)手簿配合實(shí)現(xiàn)。用一個(gè)開通GPRS流量的手機(jī)卡,就是平時(shí)我們常用的手機(jī)卡,將手機(jī)卡裝入GPS儀器,通過外業(yè)手簿操作,輸入固定IP上網(wǎng)將其上網(wǎng),然后設(shè)置基站信息,單基站的基站部分就算架設(shè)成功了。它是一個(gè)流動(dòng)的基站,可以隨意在需要架設(shè)的位置架設(shè)儀器。流動(dòng)站操作起來也同樣簡單,安裝好手機(jī)卡后,輸入固定IP上網(wǎng),直接就能獲得基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),開始進(jìn)行測(cè)量。在鐵路初測(cè)過程中,水文、放孔、控制工點(diǎn)等比較分散,常規(guī)RTK需要多次換基站才能滿足測(cè)量需要,RTDS的優(yōu)越性顯現(xiàn)無遺,幾十公里范圍不用換基站,而精度又能滿足要求。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中,基站和流動(dòng)站的距離應(yīng)在25 km以內(nèi),能達(dá)到最佳效果。RTK是根據(jù)GPS的相對(duì)定位概念,將一臺(tái)接收機(jī)安置于已知點(diǎn),即稱基準(zhǔn)站,另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)放置在用戶移動(dòng)臺(tái),同步采集相同衛(wèi)星的信號(hào),基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給用戶移動(dòng)臺(tái)。利用相對(duì)定位原理,將這些觀測(cè)值進(jìn)行差分,削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等的影響,使實(shí)時(shí)定位精度大大提高。由此可知,RTK技術(shù)是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。與其他差分不同的是,基準(zhǔn)臺(tái)傳送的數(shù)據(jù)是偽距和相位的原始觀測(cè)值,用戶移動(dòng)接收機(jī)利用相對(duì)測(cè)量方法對(duì)基線求解、解算載波相位差分改正值,然后解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

為了削弱衛(wèi)星星歷誤差、對(duì)流層延遲誤差和電離層延遲誤差,消除衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘的誤差的影響,在RTK定位技術(shù)中通常都采用雙差觀測(cè)值,其觀測(cè)方程為:

其中,Δ▽為雙差算子(在衛(wèi)星和接收機(jī)間求雙差);φ為載波相位觀測(cè)值;ρ為衛(wèi)星與接收機(jī)的距離,為衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星位置矢量,為測(cè)站的位置矢量;dρ為衛(wèi)星星歷誤差在接收機(jī)主衛(wèi)星方向上的投影;λ為載波的波長;N為載波相位測(cè)量中的整周模糊度;dion為電離層延遲;dtrop為對(duì)流層延遲;dφ mp為載波相位測(cè)量中的多路徑誤差;ε Δ▽?duì)諡殡p差載波相位觀測(cè)值的測(cè)量噪聲。

公式中的軌道偏差項(xiàng)Δ▽dρ,電離層延遲的殘差項(xiàng)Δ▽dion和對(duì)流層延遲的殘差項(xiàng)Δ▽dtrop都將迅速增加,從而導(dǎo)致難以正確確定整周模糊度,無法得到固定解,定位精度迅速下降。當(dāng)流動(dòng)站和參考站之間的距離大于50 km時(shí),常規(guī)的單歷元解一般只能達(dá)到分米級(jí)的精度。因此我們?cè)谑褂眠@種傳輸方式時(shí),要考慮因距離帶來的精度影響。

4 RTDS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1)服務(wù)器間架設(shè)相對(duì)簡單,軟件非常簡易易懂,非專業(yè)人員也同樣可以進(jìn)行操作設(shè)置。2)基站流動(dòng)站操作非常簡便易學(xué)。3)數(shù)據(jù)傳輸量非常小,不占用帶寬。4)一個(gè)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的結(jié)合是,流動(dòng)站數(shù)目不超過100個(gè)。5)在一個(gè)服務(wù)器上同時(shí)可以開設(shè)幾個(gè)窗口,可以同時(shí)帶動(dòng)若干組單基站運(yùn)行。6)外業(yè)操作時(shí)基站架設(shè)簡單,基站單單只是一個(gè)接收機(jī)就可以實(shí)現(xiàn),電臺(tái)方式的RTK需要電臺(tái)、電臺(tái)天線及連接線等。7)信號(hào)強(qiáng),手機(jī)信號(hào)覆蓋的地方都有無線電信號(hào),而且覆蓋范圍大,距離遠(yuǎn),在常規(guī)鐵路測(cè)量中,有的工點(diǎn)測(cè)量比較分散且精度要求不是很高的情況下,優(yōu)勢(shì)極為突出,減少了作業(yè)過程中頻繁挪基站的麻煩。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述分析和總結(jié),RTDS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中有其獨(dú)特的優(yōu)越性,在以后的測(cè)量過程中必定發(fā)揮更高效的應(yīng)用。

[1] 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,2008.

[2] GB 50026-93,工程測(cè)量規(guī)范[S].

[3] 張長遠(yuǎn).鐵路勘測(cè)中線測(cè)設(shè)方法及優(yōu)劣分析[J].山西建筑,2008,34(25):351-352.

[4] TB 10054-97,全球定位系統(tǒng)(GPS)鐵路測(cè)量規(guī)程[S].