道路排水工程RTK測量工法

凌順 郭春平 田虎虎 朱江輝

摘 要：該工法主要是提高了RTK工程測量成果的可靠性、精度及效率。該工法對線路長，地形復雜，地表條件，通訊環(huán)境惡劣，工期時間短等難度條件大的市政道路排水測量作業(yè)有絕對的優(yōu)勢。該RTK工法確保了測量成果的可靠性、精度及效率，來之能測，測之能用，可為施工現(xiàn)場提供及時可靠的測量服務，不至因測量工作影響施工進度，并可減少由于人為、儀器、天氣影響等帶來的誤差，同時降低由于測量誤差造成的工程返工的經(jīng)濟損失。

關(guān)鍵詞：道路工程;測量;GPS;RTK

中圖分類號：U415 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0127-02

0 前言

目前市政道路排水工程施工企業(yè)己較多的在施工中采用GPS即時動態(tài)定位（Real Time Kinematic，RTK）其具有施測迅速，移動快速，大部分工作不需進行內(nèi)業(yè)計算工作并提供高精度的即時定位效能，借助RTK手段，能夠明顯地降低測量人員的工作負荷，改善工作質(zhì)量，對于工程測量工作的效率和質(zhì)量幫助非常大，具有深遠的意義。

中核華泰建設(shè)有限公司在2012年在市政道路排水工程建設(shè)中就引進采用了RTK測量儀并取得了良好的成效，但是在使用過程中也發(fā)現(xiàn)RTK在市政道路排水工程測量中難以達到全站儀等傳統(tǒng)測量方法百分百的可靠性，測量精度受接收衛(wèi)星數(shù)量及信號強度、電離層、數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸遠近、對空通視環(huán)境影響等情況;對此中核華泰建設(shè)有限公司成立了道路排水工程RTK測量工法研究小組，重點研究RTK測量原理及其在道路排水工程中的適用范圍、工法優(yōu)點、操作流程及注意事項，找出影響測量作業(yè)中精度及可靠性的因素并加以解決。在實踐中形成了此工法，在應用過程中效果良好，有效保證了RTK測量成果的可靠性及精度，并提高了RTK測量的作業(yè)效率。

1 RTK工法優(yōu)點

（1）作業(yè)效率高。除測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾外對測站及測點間不作通視要求。并可避免傳統(tǒng)測量需測量多個控制點和多次轉(zhuǎn)移測量儀器位置的特點，縮短了工作時間和量，相比傳統(tǒng)測量方式明顯提高了工作效率。（2）定位準確，誤差小。在有效衛(wèi)星≥五顆，高度角大于20°時，平面解精度為3mm+1ppm，高程精度也能滿足四等水準要求;數(shù)據(jù)安全可靠且沒有誤差積累。一次設(shè)站轉(zhuǎn)換參數(shù)后可有效控制≤5km的測區(qū)。（3）對作業(yè)環(huán)境的條件放寬。傳統(tǒng)測量需要滿足兩點間光學通視條件，能見度、氣候和季節(jié)對傳統(tǒng)測量影響都很大，達到電磁波通視條件即可，可以很容易高效精準定位。（4）具自動性，高度集成性，測繪能力高的特點。流動站內(nèi)置工程之星軟件進行作業(yè)，可高效完成測量工作并提高工作效率和作業(yè)精度。（5）作業(yè)時間的靈活性。不局限于特定地點和時間，天氣變化不會影響作業(yè)工作。如在全站儀夜間無法測量時GPS可以輕松勝任夜間的測量工作。

2 適用范圍

RTK對線路長，地形復雜，地表條件，通訊環(huán)境惡劣，工期時間短等難度條件大的測量作業(yè)有絕對優(yōu)勢，測量精度與2″級全站儀相當。

本工法適用于道路排水工程橫斷面復測、路基土石方工程、雨污水管道工程、路面工程、橋梁工程等分部分項工程的測量放樣工作。

3 施工中提高RTK作業(yè)效率的方法

基于武漢左廟路、快嶺東路、火箭二路等道路排水工程，得出了如下施工中提高RTK作業(yè)效率的方法：

3.1 掌握熟悉儀器特性

基于實際工作中的反復測試，熟悉各種條件下儀器性能，比如是否可以達到廠家標準的性能，實際的工作半徑和測量誤差，掌握儀器的使用維護以及測量用時耗時等。

3.2 基準位置

基準站的位置對信號的接收和數(shù)據(jù)鏈的整合有重要作用，每個基準站點的實際距離應<理論有效距離的2/3。為便于對檢測結(jié)果監(jiān)控和杜絕出現(xiàn)檢測盲區(qū)，應結(jié)合測量實際情況，在路線較長且測區(qū)不良的區(qū)域可多增設(shè)一些基站。

3.3 選擇合理的作業(yè)時間

調(diào)閱星歷文件，查閱測試區(qū)域的衛(wèi)星分布，制定一個可行的測量計劃，可以避免衛(wèi)星信號干擾致盲，以及避開中午時段電離層的最大干擾影響，切實增強工作效率。

3.4 選擇合理的作業(yè)流程

在草木茂盛區(qū)或空中通信受限的地區(qū)，將傳統(tǒng)方法與GPS技術(shù)相結(jié)合，可以大大提升工作效率。如果配合對應的軟件系統(tǒng)，RTK聯(lián)合全站儀協(xié)同工作，可有效發(fā)揮RTK和全站儀的優(yōu)勢。

4 RTK的誤差特性及其解決辦法

依據(jù)廠家出具的技術(shù)數(shù)據(jù)，RTK可靠性是95%到99%。與靜態(tài)GPS相比，RTK具有更多左右可靠性的外部因素，如外部無線電信號的脆弱性，數(shù)據(jù)鏈傳輸過程中的多路徑因素。因此與GPS靜置測量方式相比，RTK的測量方式出現(xiàn)誤差幾率更高，必須要有相應的方法來控制測量質(zhì)量。在道路排水工程RTK測量作業(yè)中發(fā)現(xiàn)了如下誤差特性，并找出了其解決方法。

4.1 同儀器和干擾有關(guān)的誤差

這種誤差的產(chǎn)生有多種原因：比如多徑誤差和天線相位中心位置的變化、信號干擾帶來的信號誤差，另外天氣變化也會產(chǎn)生相應誤差。

4.1.1 天線相位中心位置的變化

天線的電子相位和機械中心理論上不會重合。一般電子相位中心會因為接受信號的角度、頻率和高度角等物理參數(shù)改變。實際中，其相位變化可導致點位坐標有3到5cm的誤差。

解決方法：可通過驗證天線來加強RTK定位的準確性，實驗室內(nèi)進行的絕對檢驗法（按規(guī)范要求每年送有資質(zhì)的檢測單位標定）以及野外進行檢驗法（轉(zhuǎn)換參數(shù)后進行多余測量，測量其它的己知控制點進行比對或與全站儀所放樣的點位進行比對，如有偏差進行調(diào)整）。

4.1.2 多路徑誤差

多徑誤差是限制GPS精度進一步提高的環(huán)境關(guān)鍵因素之一[1]。受影響于測量天線的周邊條件和環(huán)境，多徑誤差多數(shù)情況下可以達到若干cm的級別，在部分條件下如高反射，甚至>10cm。

解決方法：

①測站周邊應該避免大范圍的湖泊和河流等靜置水面。草木林茂的植被地區(qū)可以有效地吸收微弱信號的波長，是選址的不錯選擇。另外，基本農(nóng)田（經(jīng)常種植農(nóng)作物，土地翻耕，作物生長）或者其他地表不平整的區(qū)域，也是不錯的選站地點。②測站選址應避免盆地、山谷以及山坡等。防止反射信號又回到天線，引發(fā)多徑效應。③測站選址應避免高樓或者其它高層建筑物。工作時，汽車等也不宜在附近。④加裝抑制裝置：在天線中加裝抑徑板;選擇合格的接收天線，應當具備針對極化特性各異的反射信號具有一定的抑制能力。

4.1.3 衛(wèi)星狀態(tài)及可靠度影響

GPS系統(tǒng)是在20世紀70年代設(shè)計的，當時科學能力落后一些因素沒有考慮周全，參數(shù)設(shè)置不全面等問題導致了GPS系統(tǒng)的缺陷，隨著科學進步，時代發(fā)展，使用的要求越來越高，GPS系統(tǒng)很多硬件和軟件都不能夠達到要求的標準，比如GPS衛(wèi)星的空間構(gòu)造有限及信號能力較弱，在衛(wèi)星系統(tǒng)定位在某一個國家位置時，地球上的其他位置在特定的階段覆蓋范圍不全面使RTK測量存在盲區(qū)，在對地球中低緯度區(qū)域測量時都會有2次二十分鐘到半小時的盲區(qū)，此時GPS對衛(wèi)星幾何圖形分析能力弱，同時在天空中障礙物較多時，GPS信號差沒有辦法正常運行。另外一些障礙物對電臺信息傳遞信號會有干擾，數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸會產(chǎn)生消弱現(xiàn)象數(shù)據(jù)鏈傳輸信號好壞，衛(wèi)星狀態(tài)和天氣變化的因素會導致RTK不穩(wěn)定。

解決方法：

①RTK測量接收信號時至少需要5個及以上衛(wèi)星，且信號良好，手薄上出現(xiàn)固定解時方可進行測量放樣工作，此時可等待二十分鐘到半個小時待信號正常后或暫時采用全站儀代替RTK進行測量放樣。②采用多路徑誤差的解決方法中測站的選擇方法。③通過作業(yè)實踐和分析表明：RTK真實的作業(yè)半徑小于其宣稱的作業(yè)半徑，如果一旦RTK作業(yè)半徑范圍較大較長超出了一般的作業(yè)半徑，測量誤差就變大;對道路排水工程來說RTK的作業(yè)半徑控制在5km內(nèi)時能達到2″級全站儀的精度。

4.1.4 信號干擾

信號干擾來源具有多樣性的特點，比如軍用或者民用雷達、各種無線電發(fā)射裝置、高壓線雜信號等，干擾強度不盡相同，與信號源強度、距離、方式等相關(guān)。

解決方法：為了有效地降低各種干擾作用影響，在選址時必須盡量避開這些干擾源，如有高壓線，必須建在50米外，如有各類發(fā)射源，則需選址在200米開外。

4.1.5 氣象因素

測量環(huán)境中的快速變化的氣象環(huán)境，可導致測量結(jié)果差異達到10-20cm的范圍。

解決方法：在氣候環(huán)境突變、大風、大霧天時可視情況暫停RTK測量工作，待氣象條件適宜后再進行RTK測量工作，此時傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀、水準儀等測量方法也應暫停。

4.2 同距離相關(guān)誤差

4.2.1 軌道誤差

軌道誤差對于10km以下的短基線，誤差可以忽略不計，但是對于20-30km的中長基線，誤差可以達到幾厘米[1]。

解決方法：采用不超過5km的短基線。

4.2.2 電離層誤差

由信號受到電離層干擾產(chǎn)生了信號偏差，在信號傳遞過程中發(fā)生信號延遲而引起，電離層的電子信號強弱直接影響信號誤差的大小，太陽黑子的活動狀態(tài)、位置、季節(jié)、白天黑夜的變換這些物理參數(shù)也會影響，白天的誤差相比夜晚大5倍，冬季相比夏季大于約5倍，黑子活動最強的時候比最弱的時候多4倍。

解決方法：通過作業(yè)實踐和分析表明，GPS測量技術(shù)在白天尤其是十二點至一點間受電離層影響大，GPS啟動初始化時間較長并且有可能衛(wèi)星數(shù)量少不能正常啟動，得不到固定解沒辦法完成測量任務，操作中可避免在此時段進行RTK測量工作。

4.2.3 對流層誤差

在高度十千米以內(nèi)沒有發(fā)生電離的中性大氣層電磁波信號傳遞時會產(chǎn)生信號干擾導致產(chǎn)生信號延遲，在中性大氣層占整個大氣層的百分之九十，但對流層中對電磁波的傳播干擾較小，對流層中大氣為中性，非彌散性介質(zhì)頻率≥30GHz的電磁波，電磁波在對流層中傳播速度和頻率沒有關(guān)系。地表的溫度和濕度、大氣壓力直接影響電磁波的傳播，對流層折射相比電離層折射復雜得多。

解決方法：RTK模式時控制移動站和基準站作業(yè)半徑≤5km，在相關(guān)工程作業(yè)過程中作業(yè)半徑小于等于5km時，由于信號通過對流層的路徑相似，在對流層的信號測量時采用同一顆衛(wèi)星進行觀測，測量的值差異明顯減小，此時可以明顯地減弱對流層折射的影響，在實際操作中，此時該情況導致的誤差可忽略不計。

5 工法應用情況及應用前景

RTK雖有不低于傳統(tǒng)測量儀器精度的特點且有測量工作強度低、效率高、不受天氣及通視條件等影響的優(yōu)點，但RTK在市政道路排水工程測量中也存在難以達到全站儀等傳統(tǒng)測量方法百分百的可靠性，測量精度也受接收到的衛(wèi)星數(shù)量及信號強度、電離層、數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸遠近、對空通視環(huán)境影響等情況;本工法在研究RTK測量原理及其在道路排水工程中的適用范圍、工法優(yōu)點及注意事項的基礎(chǔ)上，找出了影響測量作業(yè)中精度及可靠性的因素并加以解決。應用該工法能為道路排水工程測量成果的可靠性、精度及效率帶來極大的改變，綜上該RTK技術(shù)工法在道路排水工程測量領(lǐng)域的應用有非常大的應用價值。

參考文獻

[1] 郝文輝，張瑜.GPS測量中多徑誤差簡便模型[J].全球定位系統(tǒng)，2006（1）：12-15.

[2] 呼鳳磊.無人機RTK技術(shù)的誤差特性及其解決方法[J].工程技術(shù)：引文版，2016（5）.