鐵路測量中RTK作業(yè)方式的探討

李德獎

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院,山東濟南 250022)

1 概述

在鐵路線路初、定測階段和施工階段,主要是利用GPS實時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)RTK來完成傳統(tǒng)測量方法中的圖根加密控制、像控點測定、帶狀圖測繪以及施工放樣測量等工作,并在統(tǒng)一坐標(biāo)系下提供點位的三維數(shù)據(jù)信息,是當(dāng)代GPS技術(shù)發(fā)展的一個重大突破。由于它能實時提供經(jīng)過可靠性檢驗的厘米級精度的測量成果,顯著地提高了作業(yè)效率,因而在鐵路工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。本文針對鐵路線路測量所特有的帶狀線路特點,探討如何靈活選用RTK測量的作業(yè)方式,以充分發(fā)揮RTK技術(shù)的潛能。

2 GPS-RTK系統(tǒng)的工作原理

RTK系統(tǒng)主要由一個參考站(即基準(zhǔn)站)、若干個流動站、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)3大部分組成(見圖1)。

圖1 RTK系統(tǒng)組成部件

RTK測量時,基準(zhǔn)站將接收到的所有衛(wèi)星信息及其基準(zhǔn)站信息一起由通訊系統(tǒng)傳送給各流動站。各流動站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時還接收基準(zhǔn)站傳送的信息,當(dāng)流動站完成初始化工作后,控制器即可根據(jù)接收到的信息實時計算并顯示出流動站的點位坐標(biāo)。RTK系統(tǒng)之所以能快速定位并且能進行動態(tài)初始化,是因為系統(tǒng)采用了動態(tài)快速求解整周模糊度AROF技術(shù)。這一技術(shù)使人們擺脫了高精度GPS載波相位測量中必須以解算整周求知數(shù)為目的的初始化問題,以及動態(tài)測量中必須始終保持4顆以上衛(wèi)星的連續(xù)鎖定的難題。優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也是RTK技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。RTK要求基準(zhǔn)站與各流動站之間通過建立數(shù)據(jù)通訊鏈來實現(xiàn)基準(zhǔn)站信息(數(shù)據(jù))向流動站的實時傳輸,并能對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行正確編碼和同步檢錯。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確與實時,必須綜合考慮傳輸格式、傳輸頻率、傳輸距離、傳輸數(shù)據(jù)量等諸多因素。

3 鐵路RTK測量的作業(yè)方式

3.1 不同起算條件下的RTK作業(yè)方式

在進行鐵路RTK測量時,起算點的已有坐標(biāo)數(shù)據(jù)情況往往不盡相同。有的已知點可能同時具有WGS-84世界坐標(biāo)系坐標(biāo)(以下簡稱84坐標(biāo))和1980年國家坐標(biāo)系坐標(biāo)(以下簡稱80坐標(biāo))或1954年北京坐標(biāo)系坐標(biāo)(以下簡稱54坐標(biāo)),這種情況下便可以求解兩系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),可分為求取七參數(shù)和求取三參數(shù)兩種作業(yè)方式。而大多數(shù)的已知點可能只具有80坐標(biāo)或54坐標(biāo),還不能直接求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。特殊情況下也可能待定點只需要84坐標(biāo)即可。因此在具體作業(yè)方式上會有所不同。

(1)對于已知點僅具有80坐標(biāo)或54坐標(biāo)的鐵路項目,必須先測定已知點的84坐標(biāo),為求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)所用。此為三參數(shù)轉(zhuǎn)換,此時要求基準(zhǔn)站既可以安置在已知點上,也可以安置在待定點上,甚至可以安置在臨時點上,但都必須先進行單點定位,測定基準(zhǔn)站的84坐標(biāo),一般取10min的觀測數(shù)據(jù)即可。而流動站必須先到已知點進行流動觀測,獲取所有已知點的84坐標(biāo),然后同樣在RTK系統(tǒng)內(nèi)通過公共點匹配求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。有了轉(zhuǎn)換參數(shù)就可以到待定點上依次觀測了。對于沒有布設(shè)GPS控制網(wǎng)的鐵路項目,一般都需要按此種作業(yè)方式進行,作業(yè)成果見圖2。

圖2 三參數(shù)法GPS點校正殘差

(2)對于已知點同時具有84坐標(biāo)和80坐標(biāo)或54坐標(biāo)的鐵路項目,可以在RTK系統(tǒng)中直接輸入已知點的兩套坐標(biāo),選用合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型,通過公共點匹配求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),檢驗合格后保存采用。此為七參數(shù)轉(zhuǎn)換,此時要求基準(zhǔn)站必須安置在已知點上,流動站則比較靈活,可以直接到待定點上流動觀測,也可以先到個別已知點或已測點上進行檢核測量,以核對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性。對于已經(jīng)布設(shè)GPS控制網(wǎng)的鐵路項目,一般都可以按此種作業(yè)方式進行,作業(yè)成果見圖3。

圖3 七參數(shù)法GPS點校正殘差

(3)對于待定點只需要84坐標(biāo)的這一情形,此時基準(zhǔn)站和流動站直接采用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng),而無需對坐標(biāo)系統(tǒng)進行處理。由于基準(zhǔn)站安置都具有一定的可選性,因此應(yīng)盡可能滿足以下幾方面的要求:①點位周圍沒有明顯的障礙物和電磁信號干擾物,以有利于衛(wèi)星信號的接收。②點位所在地地勢較高,最好是制高點上,有利于數(shù)據(jù)信號的傳送。③點位附近充電較方便,確保基準(zhǔn)站連續(xù)用電的特殊需要。④點位相對于待測區(qū)域位置適中,有利于作業(yè)半徑的覆蓋。

3.2 不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

進行RTK測量主要是充分利用它具有的快速定位和實時放樣兩大功能。在大多數(shù)情況下,只有點位放樣才真正需要實時測定,而快速定位并不都是需要實時提供坐標(biāo),也就是說可以通過后處理提供點位坐標(biāo)。因此在作業(yè)方式上我們完全可以根據(jù)鐵路項目對測量成果需求的緊迫程度,優(yōu)化設(shè)計RTK測量的作業(yè)方式,以達到盡可能縮短外業(yè)觀測時間,真正提高作業(yè)效率。

(1)在國家坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

所謂在國家1980或1954坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式,也就是3.1中所介紹的前兩種情形。因為這種作業(yè)方式才是真正意義上的實時提供國家坐標(biāo)系統(tǒng)下的點位坐標(biāo),主要工作也都是外業(yè)完成。它要求測區(qū)具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)或者能夠?qū)崟r求定轉(zhuǎn)換參數(shù)。該作業(yè)方式主要用于真正需要實時提供點位坐標(biāo)的鐵路項目如定測中線測量和施工放樣等,在目前具有相當(dāng)?shù)钠毡樾浴?/p>

(2)在WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

所謂在WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式,是指RTK外業(yè)測量中無需考慮坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而直接實時提供84坐標(biāo),通過內(nèi)業(yè)后處理提供國家坐標(biāo)的一種作業(yè)方式。這種作業(yè)方式的最大特點是:不必為求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而必須提前進行已知點聯(lián)測,而只需在測定待定點時順便聯(lián)測已知點。尤其是對于線路較長的鐵路RTK測量,無需實時提供國家坐標(biāo)成果時,按此作業(yè)方式可以大大減少外業(yè)工作量,提高工作效率。

4 應(yīng)用實例

2009年11月公司對京滬線韓莊至利國間橋梁線路改造工程進行定測,該項目位于山東省濟寧市微山縣韓莊鎮(zhèn)境內(nèi),在京滬鐵路韓莊站和利國站之間,里程范圍:既有京滬線(K759+150～K763局界),設(shè)計DK759+150～DK762+962.89。根據(jù)設(shè)計要求需補充測量帶狀地形圖(影響線位方案的既有線平面位置、電力線、電氣化支柱、輸油管道等的位置),然后進行定測放線等工作。

4.1 作業(yè)方式

由于測區(qū)已知點只有80坐標(biāo),且前期無需實時提供國家坐標(biāo)成果,不必為求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而進行已知點聯(lián)測,只需在測定待定點時順便聯(lián)測已知點,故采用在WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式。

4.2 作業(yè)內(nèi)容

采用RTK1+2模式,即一個基準(zhǔn)站兩組流動站,一組邊測量已知平面控制點及沿線水準(zhǔn)點同時測量既有線路,另外一組測量電氣化支柱、電力線及其他待定點。兩個測組建立相同屬性(無投影無基準(zhǔn))的項目,采用同一個基準(zhǔn)站,各自采集數(shù)據(jù)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后,將兩個組的測量DC文件導(dǎo)入到一個TGO項目內(nèi)一起參與校正,因為此段測區(qū)地勢較為平坦將采得的水準(zhǔn)點同時進行高程擬合(便于后續(xù)中線測量同時得到中樁的擬合高程,省去了常規(guī)測量用水平儀測量中樁高程工序),這樣求得轉(zhuǎn)換參數(shù)之后就能將兩個組的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),提交成果進行線路設(shè)計。方案設(shè)計完成后根據(jù)校正好的項目按照提供的坐標(biāo)用RTK進行中線放樣測量及橫斷面測量。

在此測量過程中我們根據(jù)不同的階段不同的要求選擇不同的作業(yè)方式,原來需要0.5d的時間聯(lián)測已知點,1d的時間測量待定點,改變方式后兩個組同時測量,已知點及待定點坐標(biāo)一遍采集完成,只需要0.5d便完成了任務(wù),節(jié)省出1d的外業(yè)時間,在保證質(zhì)量的前提下大大降低了工作時間。由此可見,這種作業(yè)方式用于長大線路帶狀地形圖測量及圖根點加密測量等工作時,更加能顯示出它的優(yōu)越性。

5 結(jié)束語

綜上所述,鐵路RTK測量作業(yè)方式非常靈活,應(yīng)該根據(jù)鐵路工程的實際情況來進行選擇,充分發(fā)揮RTK測量的技術(shù)優(yōu)勢,盡可能地減少外業(yè)工作量,提高工作效率,降低生產(chǎn)成本。

[1]張予東.公路測量中GPSRTK的應(yīng)用[J].測繪通報,2002(5)

[2]袁新強.GPS動態(tài)測量技術(shù)優(yōu)劣性分析[J].鐵道勘察,2006(3):7-9

[3]GB50026—93 工程測量規(guī)范[S]