GPS-RTK技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用

宋 蕾

（中鐵港航局集團(tuán) 第二工程有限公司，廣東 廣州510800）

0 前言

傳統(tǒng)的GPS測(cè)量方法，無論是從動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)方面，其cm的精準(zhǔn)度均需要在完成測(cè)量后進(jìn)行相應(yīng)的解算。由于采用了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在野外也能對(duì)定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，其測(cè)量精準(zhǔn)度能夠明確到厘米以上。RTK技術(shù)的出現(xiàn)為各類測(cè)量控制工作指引了發(fā)展的方向，促使野外作業(yè)效率得到顯著提高，因此，已廣泛應(yīng)用于鐵路測(cè)量中。

1 RTK技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 RTK的硬件條件及軟件環(huán)境

RTK技術(shù)作業(yè)的設(shè)備配置應(yīng)滿足：GPS接收機(jī)及控制器2臺(tái)、電源設(shè)備套以及電臺(tái)1套。

目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)處理軟件有天寶公司的Trimble Geomatics Office、萊卡公司的SKY-PRO等[1]。RTK技術(shù)通常會(huì)要求軟件具有對(duì)載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)求解的功能，并且需要依照相關(guān)參數(shù)與基準(zhǔn)站位置對(duì)基準(zhǔn)站的相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行求解。RTK還需具有基線解算、參數(shù)求解及數(shù)據(jù)的編輯及上傳等多方面功能。

1.2 RTK的數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 整周未知數(shù)的搜索

RTK的數(shù)據(jù)處理完全是在控制器內(nèi)進(jìn)行操作。RTK將卡爾曼濾波技術(shù)作為原理對(duì)各個(gè)歷元的觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 RTK數(shù)據(jù)處理工作的重點(diǎn)是迅速解出整周未知數(shù)。較為常見的搜索方法包括：消去法；模糊度函數(shù)法與優(yōu)化Cholesky分解法等。其中優(yōu)化Cholesky分解法所采用的是以現(xiàn)今時(shí)刻為終點(diǎn)的全部歷元觀測(cè)值，并且會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行觀測(cè)值的追加，因此，與其它方式相比較而言，優(yōu)化Cholesky分解法具有較好的搜索效果。

1.2.2 地心、地方坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換

通過GPS測(cè)量方法得到了7個(gè)不同的參數(shù)，如果想要將所有參數(shù)全部解出，則需要明確知道其中3個(gè)參數(shù)的值。求解7個(gè)參數(shù)的最低標(biāo)準(zhǔn)是已知3個(gè)值，如果已知數(shù)大于3，那么應(yīng)該每次選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行其它參數(shù)的求解。之后通過多次比較，將具有較小可能的參數(shù)值進(jìn)行剔除。幾個(gè)已知參數(shù)的位置應(yīng)該是有規(guī)律地分布在測(cè)量區(qū)附近的，在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，將其中的一個(gè)參數(shù)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，其余的地方性坐標(biāo)通常為國(guó)家坐標(biāo)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算是在投影面上進(jìn)行的，之后再以平面坐標(biāo)輸出。

GPS計(jì)算的坐標(biāo)是位于84坐標(biāo)系下，我們通常采用的是北京54坐標(biāo)系下的。依照之前求解出的3或7個(gè)參數(shù)值進(jìn)行坐標(biāo)系的成功轉(zhuǎn)換。但要注意的是，此種轉(zhuǎn)換參數(shù)只能用于圈定區(qū)域及其周邊，外推精度值與內(nèi)插相比偏低。

1.3 影響RTK精準(zhǔn)度的因素

一般情況而言，會(huì)對(duì)RTK測(cè)量精度造成一定影響的主要因素為偶然及系統(tǒng)誤差。由于已知點(diǎn)精度、對(duì)中誤差以及基線解算精度等影響，RTK技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，基線解算精準(zhǔn)度達(dá)10cm+1ppm；而基準(zhǔn)站的精度范圍為3cm。動(dòng)態(tài)作業(yè)由于測(cè)距偏心，天線高誤差等一般也在3cm以內(nèi)，至于正常高擬合與內(nèi)插精度取決于聯(lián)測(cè)點(diǎn)數(shù)目與分布、擬合模型等，一般在5-10cm內(nèi)是能夠做到的[2]。RTK的測(cè)量精準(zhǔn)度能夠達(dá)到cm級(jí)甚至以上，能夠達(dá)到鐵路測(cè)量工作的標(biāo)準(zhǔn)。

2 GPS-RTK技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 測(cè)區(qū)平面控制網(wǎng)

在對(duì)鐵路進(jìn)行研究設(shè)計(jì)過程中，有一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作便是鐵路的定測(cè)。鐵路定測(cè)工作主要包括交切測(cè)量、跨線測(cè)量以及中線測(cè)量等。在對(duì)鐵路的中線進(jìn)行放樣工作之前，應(yīng)先采用傳統(tǒng)的GPS測(cè)量方法，沿線路鋪設(shè)平面控制網(wǎng)，在進(jìn)行解算后，將各點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行求解。兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的距離應(yīng)控制在5至8km以內(nèi)，同時(shí)與國(guó)家點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，求出各點(diǎn)坐標(biāo)，并且需考慮到平面投影變形的情況。測(cè)量區(qū)的位置會(huì)對(duì)投影的變形度造成直接影響，而鐵路的全程線路又長(zhǎng)短不一，所涉及的地域范圍較廣，不同線路的整體走向與其經(jīng)過的地形也各不相同，因此變形的情況也存在著一定差異。在投影帶的邊緣位置，其變形程度為1/3 500以上，致使放樣長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度之間存在差異，達(dá)不到放樣標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)盡快采取如改變中央子午線等相應(yīng)的解決措施，以此改善長(zhǎng)度變形情況。

2.2 繪制大比例地形圖

多數(shù)高等級(jí)的鐵路選線是利用大比例變形圖幫助完成的。在傳統(tǒng)的測(cè)量方法中，是先建立全面控制網(wǎng)，之后再逐步進(jìn)行分階段測(cè)量，最終繪制出大比例的地形圖。但傳統(tǒng)的測(cè)量方法工作量偏大，且工作效率偏低，耗費(fèi)了大量的人力與物力。但是，運(yùn)用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行鐵路測(cè)量，將碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量明確后，便可及時(shí)地繪制出軟件圖。在此過程中，只需掌握碎布點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)以及屬性即可，因此測(cè)圖難度得到大幅度降低，工作量相應(yīng)減少，避免了人力資源的浪費(fèi)。

2.3 鐵路中線及邊坡的放樣

將GPS-RTK應(yīng)用到鐵路的中線及放樣工作中去，能夠有效節(jié)省人力資源，只需1人便可完成整項(xiàng)工作。將線路參數(shù)如線路起點(diǎn)終點(diǎn)坐標(biāo)、曲線長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)角、半徑、線路斷面數(shù)據(jù)，邊坡坡度等輸入RTK的外業(yè)控制器，即可放樣[3]。此種放樣方法簡(jiǎn)便且靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)樁號(hào)與坐標(biāo)放樣的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換。在放樣過程中，如果出現(xiàn)方位偏移的現(xiàn)象，在屏幕上會(huì)直接顯示，并用箭頭標(biāo)出，以便于人為的更改。每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量均是分開進(jìn)行，因此不會(huì)出現(xiàn)較大范圍的測(cè)量誤差。GPS接受器的對(duì)于信號(hào)的接受并沒有較大難度的限制，只需保證較小范圍內(nèi)的無遮擋，因此，無需對(duì)遮擋信號(hào)的樹木進(jìn)行砍伐，在加快測(cè)量速度的同時(shí)完成了對(duì)環(huán)境的保護(hù)。在進(jìn)行放樣工作時(shí)，為了盡量降低出現(xiàn)誤差的概率，應(yīng)固定范圍地對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，及時(shí)解決其中出現(xiàn)的問題。

2.4 鐵路縱、橫斷面的測(cè)量及變形觀測(cè)

在明確鐵路線路的中線后，依照中線中的樁點(diǎn)目標(biāo)與繪圖軟件便可得出具體的鐵路縱、橫斷面數(shù)據(jù)。其中所運(yùn)用的數(shù)據(jù)均是通過采集得到，因此不必深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行縱、橫斷面的測(cè)量，有效提高了工作效率。如遇到必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的情況，便可采用實(shí)時(shí)GPS測(cè)量方法。GPS-RTK與常規(guī)的測(cè)量方法進(jìn)行比較，不僅更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用且精準(zhǔn)度也得到了顯著提高。

通過大量的實(shí)踐證明，如果變形觀測(cè)的時(shí)間偏長(zhǎng)，應(yīng)采用分階段進(jìn)行觀測(cè)的方式，并強(qiáng)制對(duì)中，長(zhǎng)度在4km以內(nèi)的基線向量能夠達(dá)到2mm至3mm的精準(zhǔn)度。

3 結(jié)語

現(xiàn)如今，GPS-RTK技術(shù)已在我國(guó)鐵路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，其與常規(guī)的測(cè)量方式相比，能夠有效提升測(cè)量工作效率并得到較高的精度。科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，促使測(cè)量工作的方式手段也開始逐步發(fā)生轉(zhuǎn)變，測(cè)量數(shù)據(jù)精度及方式的創(chuàng)新幫助提高了我國(guó)鐵路建設(shè)的工作水平與質(zhì)量，利用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠在減輕工作人員工作壓力的同時(shí)，提升其效率，因此，GPS-RTK在今后具有較為廣闊的發(fā)展前景。

［1］劉全恒.GPS-RTK 技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用[J].硅谷，2011(5)：81-119.

［2］王梓曳.淺談GPS-RTK技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用[J].華章，2010(3)：157-160.

［3］何存見，歲有中，張新霞，郝永青.RTK在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010（8）：112-113.