北斗RTK在鐵路勘測中應(yīng)用研究及精度分析

魏　好　梁　永

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Application and accuracy analysis of BDS RTK in Railway Survey

WEI Hao　LIANG Yong

北斗RTK在鐵路勘測中應(yīng)用研究及精度分析

魏好梁永

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Application and accuracy analysis of BDS RTK in Railway Survey

WEI HaoLIANG Yong

摘要研究試驗(yàn)BDS、GPS、BDS+GPS三種RTK測量模式下水平和高程精度情況，分析不同定位模式間坐標(biāo)較差，比較測量結(jié)果與已知點(diǎn)間的坐標(biāo)較差。研究結(jié)果表明，BDS RTK定位精度與GPS RTK基本相當(dāng)，滿足鐵路測量規(guī)范的要求；BDS和GPS組合RTK定位在山區(qū)、林區(qū)和城區(qū)作業(yè)環(huán)境困難地區(qū)較單系統(tǒng)定位更具優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞北斗RTK鐵路勘測精度分析

1概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是由GEO、IGSO、MEO組成的混合星座，其中GEO 衛(wèi)星軌道高度35786 km，MEO衛(wèi)星軌道高度21528 km，IGSO 衛(wèi)星軌道高度35786 km。北斗衛(wèi)星采用碼分多址技術(shù)識別和處理不同衛(wèi)星的信號，與GPS系統(tǒng)具有互操作性，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，已經(jīng)具備為整個(gè)亞太地區(qū)提供正式服務(wù)的能力。

北斗RTK是一種基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果并達(dá)到厘米級精度。在 RTK 作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過無線電數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站，流動(dòng)站接收來自基準(zhǔn)站的載波相位信息，同時(shí)接收來自于衛(wèi)星的載波相位信息，并組成相位差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

對BDS RTK在鐵路勘測項(xiàng)目中應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，并就定位精度與GPS RTK精度進(jìn)行對比分析?；谛l(wèi)星的定位技術(shù)，系統(tǒng)的可用性、定位結(jié)果的可靠性和精度在很大程度上取決于觀測到的衛(wèi)星的數(shù)量，尤其在林區(qū)、城區(qū)和山區(qū)這些作業(yè)條件下，可見衛(wèi)星的數(shù)量往往是不夠的，試驗(yàn)BDS、GPS組合RTK測量，對組合定位測量是否可以有效提高定位精度、可靠性和作業(yè)效率進(jìn)行分析，并與單系統(tǒng)RTK測量精度進(jìn)行對比。

2BDS/GPS可見衛(wèi)星數(shù)和PDOP值分析

采用星歷預(yù)報(bào)軟件對GPS、BDS單系統(tǒng)及組合系統(tǒng)可同時(shí)觀測的衛(wèi)星數(shù)以及24 h內(nèi)PDOP值變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以津保線天津試驗(yàn)區(qū)為例，其一天24 h中可見衛(wèi)星及PDOP值統(tǒng)計(jì)情況如下，概略經(jīng)緯度39°N、117°E，截止高度角15°，預(yù)報(bào)結(jié)果見圖1～圖3。

從星歷預(yù)報(bào)圖中可以看出，該區(qū)域可同時(shí)觀測的GPS、BDS衛(wèi)星數(shù)相當(dāng)可觀，GPS衛(wèi)星6顆以上，BDS衛(wèi)星8顆以上，GPS+BDS衛(wèi)星數(shù)基本在16顆以上。

通過表征衛(wèi)星空間分布優(yōu)劣的PDOP值可以看出，BDS衛(wèi)星觀測的PDOP值比GPS觀測的PDOP值大，表明BDS空間幾何結(jié)構(gòu)較GPS差。GPS+BDS組合觀測其可用衛(wèi)星數(shù)明顯增多，其PDOP值明顯減小，說明組合定位衛(wèi)星空間幾何結(jié)構(gòu)明顯改善。三種測量模式一般都能滿足鐵路測量規(guī)范PDOP值<6的要求。

3BDS RTK應(yīng)用試驗(yàn)

BDS RTK測量實(shí)驗(yàn)選擇在津保鐵路天津西站附近，分別選取距離基站1 km(100測點(diǎn))、3 km(100測點(diǎn))、7 km(50測點(diǎn))的地方進(jìn)行RTK試驗(yàn)，分別采用GPS、BDS、GPS+BDS三種不同定位模式進(jìn)行RTK測量。采用同樣的方法，在京沈客專阜新(東北)、偏興鐵路興縣(西部)進(jìn)行了BDS RTK測量試驗(yàn)，每個(gè)區(qū)域測量50個(gè)點(diǎn)，同一測點(diǎn)采用三種不同定位模式RTK測量。

3.1　不同定位模式水平及垂直精度統(tǒng)計(jì)

在津保鐵路天津區(qū)域?qū)y點(diǎn)的平面和高程精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表1～表3)。

采用同樣的方法，京沈客專、偏興鐵路RTK測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4～表5。

從上述分析看出，BDS RTK定位精度可以達(dá)到厘米級，但定位精度略遜于GPS RTK，組合RTK與GPS RTK定位精度基本相當(dāng)。

3.2　不同定位模式間坐標(biāo)比較

將津保鐵路、京沈客專、偏興鐵路BDS、BDS+GPS測量結(jié)果分別與GPS測量結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)和高程對比，比較結(jié)果表6～表8所示。

從上述分析看出，BDS RTK與GPS RTK測量坐標(biāo)和高程較差RMS為±3 cm。

3.3　BDS RTK測量坐標(biāo)與已知點(diǎn)坐標(biāo)較差比較

對20個(gè)已知CPI、CPII點(diǎn)進(jìn)行BDS RTK檢核測量，平面較差RMS為±12.2 mm，高程較差RMS為±23.1 mm，滿足工程測量規(guī)范RTK測量精度要求。

3.4　BDS+GPS組合RTK試驗(yàn)

BDS+GPS組合RTK測量選擇在城區(qū)、林區(qū)等作業(yè)條件差的地方，對GPS+BDS組合定位獲得固定解的100個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(三種定位模式都未得到固定解的情況沒進(jìn)行統(tǒng)計(jì))，結(jié)論如下：

采用GPS+BDS模式測量，平面精度RMS為±2.5 cm，高程精度RMS為±3.9 cm，各項(xiàng)指標(biāo)滿足鐵路測量規(guī)范要求；在觀測條件差且組合定位可以獲得固定解的情況下，其GPS可獲得固定解的比例占55%，BDS可獲得固定解的比例占53%，組合定位固定解較單星模式提高約1倍。

4結(jié)束語

綜合上述數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：

(1)BDS RTK定位精度可以滿足鐵路測量規(guī)范RTK測量要求。在空曠區(qū)域作業(yè)，BDS測量一般滿足PDOP值<6的要求。BDS RTK定位精度與GPS RTK定位精度相當(dāng)，精度達(dá)到厘米級。但GPS定位精度相對比較穩(wěn)定，精度較BDS、GPS+BDS高，GPS+BDS組合定位精度又較單BDS高。GPS RTK平面精度在2 cm、高程精度3 cm以內(nèi)；BDS RTK 平面精度在3 cm、高程精度5 cm以內(nèi)；GPS+BDS組合RTK測量平面精度在2 cm、高程精度4 cm以內(nèi)。

(2)從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，BDS RTK定位最好在10顆以上可見北斗衛(wèi)星的情況下，可以獲得較好的的成果。BDS RTK定位精度相對較低的原因，主要是由于BDS空間衛(wèi)星為GEO、MEO、IGSO三種異質(zhì)衛(wèi)星構(gòu)成的混合星座，雖有5顆衛(wèi)星相對地球靜止且全部可見，但軌道誤差較大，加上其余的衛(wèi)星整體構(gòu)成的BDS空間幾何結(jié)構(gòu)較差。PDOP值越大，表明衛(wèi)星分布范圍越小，空間結(jié)構(gòu)越差，這也是BDS定位精度相對較低的直接原因。

(3)GPS+BDS組合定位精度不一定比單系統(tǒng)定位精度高，一般情況下比單GPS定位精度低，比單BDS定位精度高；在觀測條件差的區(qū)域，絕大多數(shù)情況下單星固定時(shí)間比較慢，GPS+BDS固定時(shí)間較快。采用GPS+BDS作業(yè)模式更適合在城區(qū)、林區(qū)和山區(qū)勘測，可用衛(wèi)星數(shù)增多，初始化時(shí)間縮短，能夠有效地提高作業(yè)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10054—2010鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010

[2]顏琳，戰(zhàn)興群.全球定位系統(tǒng)/北斗雙系統(tǒng)定位優(yōu)勢的驗(yàn)證與分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(8):1169-1172

[3]趙萌.GPS-RTK測量精度的分析與質(zhì)量控制[J].鐵道勘察，2012，38(2)

[4]何龍?jiān)?，李明?北斗RTK技術(shù)在水利工程測量中的應(yīng)用[J].吉林水利，2013(2)：39-42

[5]樊新偉，馬永安.北斗RTK技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用[J].世界家苑，2013(8)：245

[6]張建民.GPS-RTK三維一體化既有線測繪方法的研究[J].鐵道勘察，2012，38(5)

[7]王仲鋒，禹東彬，唐銘蔚.北斗RTK的定位實(shí)驗(yàn)與精度分析[J].長春工程學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014(2)：79-81

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0022-03

作者簡介：第一魏好(1984—)，男，工程師。

收稿日期：2015-07-20