GPS RTK技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用研究

高要市國(guó)土資源局測(cè)繪隊(duì) 廣東高要 526100

摘要：本文對(duì)GPS RTK技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，介紹了GPSRTK應(yīng)用于鐵路定線測(cè)量存在的主要問(wèn)題，分析了高斯投影長(zhǎng)度變形的原因，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型提出了消弱投影變形的主要技術(shù)措施，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：GPSRTK；鐵路測(cè)量；投影變形

GPS RTK技術(shù)是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（Real - time kinematic）方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，顯然，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖，各種控制測(cè)量帶來(lái)了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。但是，作為一種全新的、高效的測(cè)量模式，GPS RTK在鐵路測(cè)量工程中會(huì)遇到一定的問(wèn)題，例如鐵路線路通常較長(zhǎng)，在國(guó)家統(tǒng)一坐標(biāo)系中又存在長(zhǎng)度變形等等，本文通過(guò)對(duì)RTK在鐵路測(cè)量中相關(guān)問(wèn)題的深入研究，希望對(duì)相關(guān)工程有所幫助。

1 GPSRTK應(yīng)用于鐵路定線測(cè)量存在的主要問(wèn)題

GPSRTK定線測(cè)量實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用坐標(biāo)法的原理進(jìn)行定位測(cè)量，鐵路測(cè)量中要求長(zhǎng)度變形量不超過(guò)1/40000，在3°投影帶的邊緣長(zhǎng)度變形可達(dá)幾千分之一以上，致使中線樁由國(guó)家坐標(biāo)反算的放樣長(zhǎng)度與實(shí)地測(cè)量長(zhǎng)度不一致，這樣從不同測(cè)站放樣同一點(diǎn)，實(shí)地點(diǎn)位不落在同一位置（假設(shè)無(wú)測(cè)量誤差），無(wú)法滿足放樣要求。從而成為GPSRTK坐標(biāo)法定測(cè)放線的障礙，限制了這一方法在鐵路定測(cè)中的應(yīng)用。因此，要想應(yīng)用GPSRTK進(jìn)行鐵路定線測(cè)量，必須事先對(duì)投影變形采取一定的約束措施，使其變形量在所規(guī)定的范圍內(nèi)。

2高斯投影長(zhǎng)度變形分析

鐵路測(cè)量中，常用的平面坐標(biāo)系為北京1954坐標(biāo)系或1980國(guó)家坐標(biāo)系，采用高斯正形投影3°帶或6°帶。該坐標(biāo)是先將地面觀測(cè)值歸化到參考橢球面上（即高程歸化），然后再?gòu)膮⒖紮E球面改化到高斯平面上。在投影過(guò)程中，長(zhǎng)度發(fā)生了明顯變形。

2.1高程歸化

將地面觀測(cè)距離歸化到參考橢球面上，其長(zhǎng)度變形由下式計(jì)算：

ΔSH=（Hm/RA）S （1）

由式（1）可知，ΔSH為負(fù)值，表明將地面實(shí)測(cè)長(zhǎng)度歸算到參考橢球面總是變短的，而且變形值與歸算邊高出參考橢球面的平均高程Hm成正比。設(shè)Hm的絕對(duì)值為50～5000m，高程歸化引起的相對(duì)變形ΔSH/S列入表1，從表1看出，海拔愈高，ΔSH/S愈大。

表1 高程歸化相對(duì)變形表

2.2高斯投影距離改化

將參考橢球面上邊長(zhǎng)改化至高斯平面上，其長(zhǎng)度變形由下式計(jì)算：ΔSG=（y2m/2R2m）S（2）

由式（2）可知，ΔSG為正值，表示將參考橢球面上的長(zhǎng)度投影到高斯平面上總是變長(zhǎng)，而且變形值ΔSG與橫坐標(biāo)ym的平方成正比，即投影邊長(zhǎng)離中央子午線愈遠(yuǎn)，其變形愈大。以Rm=6371km代入式（2），對(duì)不同的ym，高斯投影歸化引起的相對(duì)變形ΔSG/S列入表2；3°投影帶在不同緯度邊緣長(zhǎng)度相對(duì)變形的計(jì)算結(jié)果列入表3。

表2 高斯投影歸化相對(duì)變形表

表3 3° 投影帶不同緯度邊緣長(zhǎng)度相對(duì)變形值表

由式（1）、式（2）可知，距離觀測(cè)值從地面投影到高斯平面總的長(zhǎng)度變形為：ΔS=（-Hm/RA+y2m/2R2m）S（3）

式中：S為地面測(cè)量長(zhǎng)度；Hm為高出參考橢球面的平均高程；RA為地面邊方向參考橢球面法截弧曲率半徑，取近似值Rm；ym為地面邊兩端點(diǎn)近似橫坐標(biāo)平均值；Rm為參考橢球面在地面邊中點(diǎn)的平均曲率半徑，為方便起見(jiàn)，以下近似取Rm≈6371km。由式（3）知，長(zhǎng)度變形與測(cè)區(qū)地理位置和高程有關(guān)。

3消弱投影變形的主要技術(shù)措施

采用建立獨(dú)立坐標(biāo)系的措施削弱測(cè)區(qū)長(zhǎng)度變形，獨(dú)立坐標(biāo)系的建立一般有以下幾種方法。

3.1投影于國(guó)家參考橢球面上的高斯正形投影3°帶平面直角坐標(biāo)系

當(dāng)測(cè)區(qū)距離中央子午線較近，地區(qū)平均高程較低時(shí)，即投影長(zhǎng)度變形值不大于2.5cm/km時(shí)，不考慮變形問(wèn)題，此時(shí)有ΔS=0。即前面式（1）、式（2）影響相同，一般認(rèn)為ym≤45km，Hm≤100m時(shí)，可以直接采用高斯正形投影的3°帶平面直角坐標(biāo)系。

3.2投影于國(guó)家參考橢球面上的高斯正形投影任意帶平面直角坐標(biāo)系

該坐標(biāo)系不變動(dòng)高程歸化面（長(zhǎng)度仍然歸算到國(guó)家參考橢球面）而移動(dòng)中央子午線。根據(jù)測(cè)區(qū)平均高程Hm，按下式算出使測(cè)區(qū)中央長(zhǎng)度變形為0的中央子午線位置，式（3）中令ΔS=0，即有：（4）

由式（4）有：（5）

根據(jù)（xm，y′m）反算出經(jīng)度差l′，則選擇的任意投影帶的中央子午線經(jīng)度為：L′0=Lm±l′（6）

在同一測(cè)區(qū)，高程高低有變化，而東西方向也存在著一定的寬度，完全抵償是不可能的，總存在一個(gè)殘余變形，其相對(duì)長(zhǎng)度變形值為：

（7）

在一定長(zhǎng)度變形范圍內(nèi)（給出的允許值），該坐標(biāo)系控制的最大距離為：（8）

即該坐標(biāo)系能使測(cè)區(qū)中央東、西兩側(cè)（Ymax-Y′m）范圍內(nèi)的長(zhǎng)度變形滿足要求，也就是說(shuō)，該坐標(biāo)系的最大抵償范圍為：ΔY=2（Ymax-Y′m）（9）

由此可見(jiàn)，對(duì)一定的高程只存在一定的抵償范圍，而且隨高程的增加，抵償范圍越來(lái)越窄。經(jīng)計(jì)算，在要求變形1/40000的范圍內(nèi)，高程從0m變化到2000m，抵償范圍從45km變化到7km。

3.3高程抵償面上的高斯正形投影3°帶平面直角坐標(biāo)系

該坐標(biāo)系采用國(guó)家統(tǒng)一3°帶的投影方法，人為選擇某一高程抵償歸化面，使高程歸化改正與高斯投影的長(zhǎng)度改化相抵消，重新選擇一高程參考面。由式（4）得：

（10）

采用此坐標(biāo)系僅在測(cè)區(qū)中央（ym）處的長(zhǎng)度變形得到完全抵償，而中央的東西兩側(cè)仍然存在殘余變形。在允許的長(zhǎng)度變形（給定的數(shù)值）范圍內(nèi)，該坐標(biāo)系的抵償范圍按下面公式計(jì)算，測(cè)區(qū)中央東側(cè)、西側(cè)：

（11）

該坐標(biāo)系與測(cè)區(qū)離開(kāi)中央子午線的距離有關(guān)，離中央子午線越遠(yuǎn)，抵償范圍越窄。

4獨(dú)立坐標(biāo)系建立

建立鐵路定測(cè)分段獨(dú)立坐標(biāo)系時(shí)，由于采用了平均高程面作為投影面，分段獨(dú)立坐標(biāo)系的計(jì)算在不同于國(guó)家參考橢球的新橢球上進(jìn)行。這個(gè)新橢球一般稱為局部橢球，該橢球處于平均高程面上，其中心、軸向和扁率與國(guó)家參考橢球相同，只是其長(zhǎng)半徑有一變值Δa。

下面討論局部橢球坐標(biāo)與國(guó)家參考橢球坐標(biāo)的關(guān)系：

設(shè)某地方獨(dú)立坐標(biāo)系位于平均高程為hm的參考橢球面上，該地方的高程異常為ζ，則該曲面離國(guó)家參考橢球的高度為：

H=hm+ζ （12）

根據(jù)假定兩橢球中心一致，軸向一致，扁率相同，僅長(zhǎng)半徑有一定的差值Δα，即有：H/N=Δa/a

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