網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在城市線路測(cè)量中的應(yīng)用研究

吉仕村，何錫揚(yáng)

(長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007)

1 概述

在城市測(cè)量中，線路測(cè)量占了很重要的地位，而線路測(cè)量往往工作量大，工期要求卻較短，因而采用較為先進(jìn)的技術(shù)提高生產(chǎn)的效率非常必要。在傳統(tǒng)的線路測(cè)量中，通過(guò)全站儀來(lái)進(jìn)行放樣測(cè)量，在測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度以及工作效率方面都受到很多的制約。隨著近年來(lái)GNSS理論和技術(shù)在國(guó)內(nèi)的迅速發(fā)展，全國(guó)大部分城市逐步建立了連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)(CORS)，將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)用到城市測(cè)量中，取得了很好的效果。

本文將結(jié)合長(zhǎng)株潭連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)(CZTCORS)探討網(wǎng)絡(luò)RTK在城市線路測(cè)量中的應(yīng)用。

2 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)

傳統(tǒng)的RTK技術(shù)是在2臺(tái)GPS信號(hào)接收系統(tǒng)(基準(zhǔn)站和流動(dòng)站)之間增加一套數(shù)據(jù)鏈，將2臺(tái)GPS接收系統(tǒng)聯(lián)成有機(jī)整體。移動(dòng)站將基準(zhǔn)站傳來(lái)的載波觀測(cè)信號(hào)與移動(dòng)站本身采集GPS載波信號(hào)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，解出兩站間的基線值，同時(shí)輸入相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)，實(shí)時(shí)得到精確的定位結(jié)果。由于傳統(tǒng)RTK技術(shù)需要同時(shí)攜帶2套GPS接收系統(tǒng)，在操作上帶來(lái)了一些不便性。

為了克服這一缺陷，建立多個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)為流動(dòng)站提供差分信號(hào)的理論逐漸被提出，CORS基準(zhǔn)站網(wǎng)逐步建立。CORS的理論源于上世紀(jì)80年代中期加拿大提出的“主動(dòng)控制系統(tǒng)(Active Control System)”，該理論認(rèn)為，GPS的主要誤差源來(lái)自于衛(wèi)星星歷。D.E.Wells等人提出利用一批永久性參考站點(diǎn)，為用戶提供高精度的預(yù)報(bào)星歷以提高測(cè)量精度。連續(xù)運(yùn)行參考站(Continuous OperationalReference System，CORS)將網(wǎng)絡(luò)化概念引入到了大地測(cè)量應(yīng)用中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)RTK應(yīng)用上存在的缺陷。

網(wǎng)絡(luò)RTK也稱多基準(zhǔn)站RTK，其定位的基本思想是:在一定區(qū)域內(nèi)，由于多種系統(tǒng)誤差，如電離層延遲、對(duì)流層延遲和軌道誤差等具有較強(qiáng)的相關(guān)性，利用多個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)值就可以建立區(qū)域誤差模型，對(duì)區(qū)域內(nèi)任意位置的誤差都可以根據(jù)模型計(jì)算出來(lái)，用戶就可以用經(jīng)過(guò)誤差改正的觀測(cè)值得到高精度的定位結(jié)果。圖1為網(wǎng)絡(luò)RTK定位原理略圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)RTK定位原理略圖

3 網(wǎng)絡(luò)RTK在線路測(cè)量中的應(yīng)用

公路、鐵路、渠道、輸電線路、輸油管道、輸氣管道等均屬于線型工程，它們的中線通稱線路。在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段的測(cè)量工作，稱為線路測(cè)量。線路測(cè)量與施工建設(shè)階段及竣工階段所進(jìn)行的測(cè)量工作，統(tǒng)稱為線路工程測(cè)量。線路工程測(cè)量的主要內(nèi)容包括中線測(cè)量(包括曲線測(cè)設(shè))、縱、橫斷面測(cè)量、帶狀地形圖測(cè)繪、線路土石方計(jì)算和施工測(cè)量。

在線路測(cè)量中，縱橫斷面測(cè)量工作占了很重要的地位，測(cè)定線路中樁處的地面高程，繪制縱斷面圖(profile)，為線路設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料?？v橫斷面測(cè)量其在本質(zhì)上是放樣與測(cè)量的結(jié)合，首先需要確定理論斷面在實(shí)際地面的位置，然后獲取該位置的高程，確定斷面位置的過(guò)程即是放樣的過(guò)程，因此影響縱橫斷面測(cè)量精度取決于放樣和測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面的精度。對(duì)于一般的城市道路建設(shè)中，中樁間距一般取為 20 m，對(duì)于幾千米甚至更長(zhǎng)的線路測(cè)量來(lái)說(shuō)，縱橫斷面測(cè)量是具有較大工作量的一項(xiàng)工作，因此保證較高的工作效率和速度對(duì)于線路測(cè)量來(lái)說(shuō)十分必要。

3.1 傳統(tǒng)線路測(cè)量方法

傳統(tǒng)線路測(cè)量方法主要利用全站儀或經(jīng)緯儀等觀測(cè)儀器，采用距離交會(huì)法、直角坐標(biāo)法、極坐標(biāo)法等測(cè)設(shè)出縱斷面的位置。對(duì)于直線路段，橫斷面方向垂直于中心線的方向，要確定橫斷面的方向，首先要標(biāo)定出公路中心線，一般用兩個(gè)中樁標(biāo)定，在此方向上再找出垂直方向;另外一種方法是由橫斷面中樁的坐標(biāo)，計(jì)算邊樁的坐標(biāo)，外業(yè)放樣中樁和邊樁點(diǎn)，這兩點(diǎn)連線方向即為橫斷面方向。當(dāng)線路的中線為圓曲線段或緩和曲線段時(shí)，其作業(yè)則較為復(fù)雜，需要根據(jù)圓曲線或緩曲線的特征值計(jì)算出弦切角等測(cè)設(shè)值，再根據(jù)測(cè)設(shè)值來(lái)確定橫斷面的方向，或者直接計(jì)算并出邊樁坐標(biāo)，再將邊樁坐標(biāo)測(cè)設(shè)出來(lái)來(lái)確定橫斷面的方向。確定橫斷面方向之后便可定出橫斷面上各變坡點(diǎn)與中樁點(diǎn)之間的水平距離和高差。

3.2 RTK技術(shù)在線路測(cè)量中的應(yīng)用

相對(duì)于傳統(tǒng)的觀測(cè)儀器，網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)快速獲取定位坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)使得其在放樣測(cè)量中具備更好的操作性和更高的精度。應(yīng)用于縱橫斷面測(cè)量的優(yōu)越性:增加放樣的準(zhǔn)確性、減少測(cè)量精度損失、使用方便、快速、單人即可作業(yè)。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用表明，網(wǎng)絡(luò)RTK的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在:

(1)不受地形和通視條件限制:RTK利用衛(wèi)星信號(hào)來(lái)定位，因而不受通視條件的限制。

(2)測(cè)設(shè)直觀方便、便于快速采集:利用RTK電子手簿的易植入軟件特點(diǎn)和友好界面性以及RTK實(shí)時(shí)定位功能，可以自編軟件利用導(dǎo)入數(shù)據(jù)和當(dāng)前定位值實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)測(cè)設(shè)點(diǎn)的方位距離等信息，根據(jù)直觀的數(shù)據(jù)指示，可以快速定位測(cè)設(shè)出目標(biāo)點(diǎn)。

(3)測(cè)設(shè)的準(zhǔn)確性:由于RTK根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和改正信息來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，不同于全站儀、經(jīng)緯儀等儀器存在測(cè)站積累誤差，能獲取更精確的斷面測(cè)量信息。

(4)單人即可作業(yè):網(wǎng)絡(luò)RTK的基站布設(shè)在城市固定地點(diǎn)，應(yīng)用RTK作業(yè)時(shí)，僅需攜帶流動(dòng)站，加上電子手簿具備藍(lán)牙無(wú)線傳輸功能，單人作業(yè)非常方便，大大增加了作業(yè)靈活性和作業(yè)效率。

圖2為線路放樣交點(diǎn)要素輸入界面示意圖。

圖2 線路放樣交點(diǎn)要素輸入界面

4 應(yīng)用RTK技術(shù)進(jìn)行線路測(cè)量

4.1 長(zhǎng)株潭GNSS CORS簡(jiǎn)介

長(zhǎng)株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱CZTCORS)于2007年5月開(kāi)始建設(shè)，10月建成投入試運(yùn)行，12月完成各項(xiàng)精度指標(biāo)和性能測(cè)試，并通過(guò)湖南省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)授權(quán)站的檢驗(yàn)，投入正常運(yùn)行。該系統(tǒng)由6個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心組成，數(shù)據(jù)管理中心位于長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院辦公樓內(nèi)，基站分布圖如圖3所示。系統(tǒng)采用美國(guó)Trimble公司的網(wǎng)絡(luò)RTK的虛擬參考站(VRS)技術(shù)。參考站接收機(jī)采用雙衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)NetR5。接收機(jī)天線采用精密大地測(cè)量型天線。數(shù)據(jù)中心處理軟件采用Trimble公司提供的GNSSnet 21510(含RTKnet模塊)、GPStream軟件。項(xiàng)目獲2009年度湖南省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

圖3 長(zhǎng)株潭CORS基站分布圖

4.2 RTK縱斷面測(cè)量精度分析

假定斷面坐標(biāo)理論值為(XL，YL)，RTK測(cè)設(shè)值為(XRTK，YRTK)，全站儀測(cè)設(shè)值為(X全，Y全)，則全站儀測(cè)設(shè)值和RTK測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值距離差分別根據(jù)如下(1)式和(2)式計(jì)算:

為了比較傳統(tǒng)方法與網(wǎng)絡(luò)RTK方法測(cè)設(shè)中樁的精度，本文對(duì)某一線路段的中樁采用兩種方法分別進(jìn)行了測(cè)設(shè)，將全站儀和RTK的中樁測(cè)設(shè)值按式(1)計(jì)算出了與設(shè)計(jì)值的距離差。圖4和圖5給出了的RTK和全站儀中樁測(cè)設(shè)值在樁號(hào)0+020～0+700與設(shè)計(jì)值的距離差曲線圖，圖6給出了RTK和全站儀中樁測(cè)設(shè)距離差隨不同距離差區(qū)段的分布變化圖，表1則列出了兩種方法的中樁測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值的距離偏差統(tǒng)計(jì)值。

圖4 RTK和全站儀中樁測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值的距離差曲線圖(0+020～0+340段)

圖5 RTK和全站儀中樁測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值的距離差曲線圖(0+360～0+700段)

圖6 RTK和全站儀中樁測(cè)設(shè)距離差隨不同距離差區(qū)段的分布變化圖

RTK和全站儀中樁測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值的距離差統(tǒng)計(jì)值 表1

從表4和圖5可以看出，RTK測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值距離差曲線多數(shù)情況下處于全站儀測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值距離差曲線的下方，圖6分布變化圖表明RTK測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值距離差主要分布集中于 2 cm～6 cm區(qū)段范圍，全站儀測(cè)設(shè)值 2 cm～10 cm的更大區(qū)段范圍，表1的數(shù)據(jù)也顯示RTK測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值距離差的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)值均低于RTK測(cè)設(shè)值與設(shè)計(jì)值距離差的對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)值。上述分析表明:RTK的測(cè)設(shè)結(jié)果要明顯優(yōu)于全站儀的測(cè)設(shè)結(jié)果。

4.3 RTK橫斷面測(cè)量結(jié)果

為了直觀看出RTK測(cè)量橫斷面的準(zhǔn)確性，本文根據(jù)兩個(gè)線路工程項(xiàng)目的RTK測(cè)量結(jié)果，繪制了設(shè)計(jì)斷面與RTK斷面測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量位置比較圖，如圖7、圖8、圖9和圖10所示，其中圖7和圖8所在線路段為直線段，圖9和圖10所在線路段為曲線段。圖中實(shí)線表示設(shè)計(jì)斷面的位置，圓圈點(diǎn)表示RTK測(cè)量點(diǎn)的位置(為了保持圖形的清晰，點(diǎn)號(hào)沒(méi)有繪出)。

圖7 設(shè)計(jì)斷面與RTK斷面測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量位置比較圖(0+700～0+820段)

圖8 設(shè)計(jì)斷面與RTK斷面測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量位置比較圖(0+820～0+940段)

圖9 設(shè)計(jì)斷面與RTK斷面測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量位置比較圖(0+340～0+480段)

圖10 設(shè)計(jì)斷面與RTK斷面測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量位置比較圖(0+200～0+340段)

從圖7、圖8、圖9和圖10中可以很清晰地看出，無(wú)論線路走向是直線段還是曲線段，多數(shù)RTK斷面測(cè)量點(diǎn)與設(shè)計(jì)斷面線非常接近，符合程度非常好，這表明RTK的橫斷面測(cè)量結(jié)果能夠達(dá)到較高的準(zhǔn)確性，能很好地滿足線路測(cè)量中橫斷面測(cè)量的要求。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)所測(cè)的平面和高程都能達(dá)到較高的精度，中樁測(cè)設(shè)的精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量方法，RTK的橫斷面測(cè)量也能達(dá)到較高的準(zhǔn)確性，綜合其不受通視限制、采集快速、界面友好方便性、單人即可作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，可以表明:網(wǎng)路RTK技術(shù)為城市線路測(cè)量工作的開(kāi)展帶來(lái)了巨大的優(yōu)勢(shì)，極大提升了作業(yè)方便性、作業(yè)效率以及作業(yè)準(zhǔn)確性。但RTK仍不能完全取代傳統(tǒng)的儀器，這是由于當(dāng)有高障礙物遮擋時(shí)，受到可用衛(wèi)星數(shù)減少和衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)減弱的影響，RTK仍然不易收斂。隨著伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建設(shè)和中國(guó)北斗系統(tǒng)的逐步投入運(yùn)行，可用衛(wèi)星數(shù)將得到增加，這一問(wèn)題將不斷得到改善，網(wǎng)絡(luò)RTK的前景將更為巨大。

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