GPS-RTK技術(shù)在道路工程測(cè)量中的實(shí)踐分析

李昆

（江西省地質(zhì)局物化探大隊(duì)，江西南昌330000）

1 GPS-RTK 系統(tǒng)的組成、工作原理及誤差來(lái)源

全球定位系統(tǒng)(GPS)由1 組衛(wèi)星和1 個(gè)地球觀測(cè)系統(tǒng)組成。用戶還必須擁有衛(wèi)星接收設(shè)備。GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)由24 顆衛(wèi)星組成，高度約為20000km，均勻分布在6 個(gè)軌道平面上。每個(gè)平面的交角為60o，軌道與赤道的傾角為55o，衛(wèi)星自轉(zhuǎn)周期為11 小時(shí)58 分鐘，保證4～11 顆衛(wèi)星同時(shí)在地平線之上，可以隨時(shí)隨地獲取數(shù)據(jù)。GPS 地面控制系統(tǒng)由1 個(gè)主控站、3 個(gè)注入站和5 個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。主控站根據(jù)各站GPS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星時(shí)鐘校準(zhǔn)參數(shù)，并通過(guò)注入站將這些數(shù)據(jù)注入衛(wèi)星，同時(shí)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)并發(fā)送指令。

GPS-RTK 技術(shù)是一種基于載波相位測(cè)量的實(shí)時(shí)差分GPS 測(cè)量技術(shù)，它結(jié)合了載波相位測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPS-RTK 技術(shù)是GPS 測(cè)量技術(shù)發(fā)展歷程的標(biāo)志，也是一種學(xué)術(shù)性的定位技術(shù)。兩個(gè)或多個(gè)GPS接收器用于同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，一個(gè)放置在稱為參考站的坐標(biāo)點(diǎn)，另一個(gè)用于確定未知點(diǎn)（移動(dòng)站）的坐標(biāo)。參考站根據(jù)該點(diǎn)的精確坐標(biāo)計(jì)算與衛(wèi)星距離的修正數(shù)，并將其發(fā)送到移動(dòng)站。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)修正數(shù)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行修正，可以大大提高定位精度。它為站點(diǎn)的特定坐標(biāo)系提供實(shí)時(shí)3D 定位結(jié)果，可達(dá)到厘米級(jí)精度。GPS-RTK 技術(shù)定位誤差一般分為兩類：硬件干擾誤差、距離誤差。硬件干擾誤差包括天線相位中心、多徑誤差、信號(hào)干擾和氣象因素。距離誤差包括軌道誤差、電離層誤差和對(duì)流層誤差。對(duì)于固定參考站，可以進(jìn)行各種修正以減少設(shè)備相關(guān)的誤差和干擾，但GPS-RTK 的有效工作半徑是有限的（通常為幾公里）。因?yàn)榕c距離相關(guān)的誤差隨著距離的增加而增加，移動(dòng)站與參考站之間的距離也增加。許多與距離相關(guān)的誤差可以通過(guò)多參考技術(shù)消除。

2 GPS-RTK 的技術(shù)特點(diǎn)

在正常地形下，高質(zhì)量的GPS-RTK 技術(shù)可以測(cè)量一個(gè)半徑為4km 的區(qū)域，大大減少了日常調(diào)查所需的參考點(diǎn)和測(cè)量?jī)x器的數(shù)量。移動(dòng)臺(tái)可單人操作，勞動(dòng)強(qiáng)度低。工作速度快，工作效率高。只要滿足GPS-RTK 技術(shù)的基本條件，在一定的工作半徑（通常為4km）內(nèi)，GPS-RTK 的平整度、精度和高距離精度都可以達(dá)到厘米級(jí)。GPS-RTK 測(cè)量不需要參考站和移動(dòng)站之間的視野，只需要電磁視野。因此，與之前的測(cè)量相比，GPS-RTK 測(cè)量受能見(jiàn)度、天氣和季節(jié)性條件的影響和限制都很低。只要滿足GPS-RTK 基本的運(yùn)行條件，就可以實(shí)現(xiàn)高速度、高精度的定位，測(cè)量過(guò)程變得更加容易。GPS-RTK 是一種不同類型的調(diào)查，它可以在戶外工作。移動(dòng)臺(tái)采用軟件控制系統(tǒng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能，無(wú)須人工干預(yù)，減少了額外的測(cè)量工作和人為誤差，保證了操作的準(zhǔn)確性。現(xiàn)有設(shè)備一般可以在安裝過(guò)程中通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)整，輕松獲得二維坐標(biāo)。它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換和輸出功能，可以方便地與計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行通信[1]。

GPS-RTK 測(cè)量技術(shù)主要來(lái)源于載波相位，將載波相位的觀測(cè)值與相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)測(cè)量、采集和傳輸。該技術(shù)彌補(bǔ)了GPS 技術(shù)在靜態(tài)測(cè)量期間，無(wú)法及時(shí)交換信息的不足。具有整體測(cè)量精度高、自動(dòng)化程度高、集成度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。GPS-RTK 系統(tǒng)大致分為三個(gè)部分：一是基站的中心部分，用于接收數(shù)據(jù)信息和協(xié)調(diào)系統(tǒng)；二是數(shù)據(jù)通信鏈路，主要功能是傳遞信息；三是對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測(cè)的移動(dòng)站，可以使用其他軟件來(lái)處理相關(guān)的測(cè)量數(shù)據(jù)，但必須滿足實(shí)際需要，主要是坐標(biāo)系與遠(yuǎn)距離系的轉(zhuǎn)換功能、繪圖功能、支付質(zhì)量狀態(tài)分析、接收方坐標(biāo)計(jì)算，對(duì)應(yīng)結(jié)果的表達(dá)等。

3 GPS-RTK 技術(shù)的局限性和精度保障

當(dāng)然，GPS-RTK 技術(shù)也有局限性，影響其執(zhí)行上述測(cè)量的能力。了解這些限制可以確保GPS-RTK 調(diào)查成功。最大的限制是GPS 系統(tǒng)作為一個(gè)整體，而不是GPS-RTK 本身。 如上所述，GPS 依賴于從20000km 以外的衛(wèi)星接收無(wú)線電信號(hào)，這些信號(hào)頻率高，信號(hào)弱，難以穿過(guò)衛(wèi)星和GPS 接收器之間的障礙物。事實(shí)上，GPS 接收器和衛(wèi)星之間的任何東西都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[2]。

4 GPS-RTK 技術(shù)在實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用

4.1 在大比例尺地形圖繪制中的應(yīng)用

該項(xiàng)目的地形圖以1∶1000 的比例繪制。使用GPS-RTK 測(cè)量技術(shù)時(shí)，首先要選擇一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。一旦滿足使用要求，使用該技術(shù)測(cè)量對(duì)象上每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)并嵌入測(cè)量后代碼，繪制帶有功能信息的地形條形圖，使最終測(cè)量結(jié)果一目了然，最后通過(guò)專門的計(jì)算機(jī)圖形軟件顯示。從大型條紋地形圖（通常比例為1∶2000 或1∶1000）中選擇高質(zhì)量的道路路線。傳統(tǒng)的測(cè)繪方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、速度慢、耗時(shí)長(zhǎng)，首先需要建立控制網(wǎng)，其次進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，最后才能繪制大比例尺的地形圖。使用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)GPS 測(cè)量訓(xùn)練斷點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以使用內(nèi)部繪圖軟件進(jìn)行繪圖。由于只采集斷點(diǎn)坐標(biāo)，輸入屬性信息，采集速度快，大大降低了繪制難度，節(jié)省了時(shí)間和精力。

靜態(tài)縮放是使用GPS 創(chuàng)建控制網(wǎng)絡(luò)最準(zhǔn)確的方法。固定比率最適用于控制大型建筑物，如大型橋梁、隧道和十字路口。在一般道路技術(shù)控制措施中，可以使用GPS-RTK 動(dòng)態(tài)冠輪。該方法在測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位精度。當(dāng)達(dá)到要求的點(diǎn)精度時(shí)可以停止監(jiān)控，大大提高了工作效率。因?yàn)椴槐卦邳c(diǎn)之間查看，使測(cè)量變得更容易。道路選擇過(guò)程往往遵循勘察設(shè)計(jì)規(guī)范，以盡量減少占用耕地、減少房屋拆遷和使用舊路平臺(tái)為原則。為正確設(shè)計(jì)道路路線，滿足設(shè)計(jì)要求，GPS-RTK 技術(shù)允許用車載GPS-RTK 接收機(jī)作為移動(dòng)站，沿道路中心線以特定間隔采集數(shù)據(jù)，形成原始路線。另外以“已知點(diǎn)是參考點(diǎn)”，當(dāng)遇到一個(gè)重要的地方時(shí)，它會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)數(shù)計(jì)算器。用AutoCAD 在電腦上確定路線非常方便，設(shè)計(jì)者在大比例尺的地形圖上畫(huà)線后，需要從地面確定道路的軸線，得到坐標(biāo)和坐標(biāo)文件。只要將航點(diǎn)的坐標(biāo)和坐標(biāo)文件輸入電子GPS 指南中進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)軟件就會(huì)自動(dòng)識(shí)別這些點(diǎn)的關(guān)鍵樣本點(diǎn)。由于每個(gè)點(diǎn)都是獨(dú)立測(cè)量的，所以沒(méi)有累積誤差，每個(gè)點(diǎn)的采樣精度趨于相同。

4.2 在道路中線放樣中的應(yīng)用

大地形圖繪制完成后，需要標(biāo)記道路的中心線。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，利用GPS-RTK 技術(shù)對(duì)各種中樁點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)工作，實(shí)時(shí)測(cè)量，由計(jì)算機(jī)識(shí)別并顯示采樣點(diǎn)的位置。在這個(gè)過(guò)程中，每個(gè)參與測(cè)量的部件都是獨(dú)立的，最大限度地減少了誤差。本例中幾何測(cè)量線多為曲線，直線很少，需要有效控制終點(diǎn)和起點(diǎn)的方位角，即感興趣點(diǎn)的輸入相位，以保證興趣點(diǎn)[3]。

4.3 在土石方和道路斷面放樣中的應(yīng)用

在連接縱截面的過(guò)程中，需要準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并輸入相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，創(chuàng)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄，可隨時(shí)作為參考，提供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量幫助。在橫斷面放樣的過(guò)程中，確保建筑模型和相關(guān)數(shù)據(jù)可以同時(shí)輸入，數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相符，妥善保存，以供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量使用。另外，利用軟件和地面銜接的功能進(jìn)行，按照剖面法準(zhǔn)確計(jì)算開(kāi)挖量。整個(gè)測(cè)量的數(shù)據(jù)基于測(cè)繪地形圖的性能，減少了測(cè)控過(guò)程中不必要的程序和外部操作的工作量，提高了工作效率。最終審核流程使用GPS 完成，節(jié)省測(cè)繪的時(shí)間。

在大條形地形圖上放置線條后，設(shè)計(jì)師必須校準(zhǔn)地面布局。對(duì)于動(dòng)態(tài)GPS 測(cè)量，系統(tǒng)只需將中心線上關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)輸入GPS 接收器即可確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。一旦確定了高速公路的中心線，樁中心點(diǎn)的坐標(biāo)和繪圖軟件就可以用來(lái)提供軌道的輪廓和樁點(diǎn)的每個(gè)部分。使用的所有數(shù)據(jù)都是在地形測(cè)量期間收集的，無(wú)須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行垂直和水平測(cè)量。因此，現(xiàn)場(chǎng)工作大大減少。如果需要在野外進(jìn)行橫截面測(cè)量，也可以使用動(dòng)態(tài)GPS 測(cè)量。與傳統(tǒng)方法相比，該方法在精度、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。動(dòng)態(tài)GPS 擁有強(qiáng)大的硬件和豐富的軟件。施工過(guò)程中點(diǎn)、線、面、坡的觀察非常方便快捷，精度可達(dá)1cm。通過(guò)動(dòng)態(tài)GPS 測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將充分利用該技術(shù)的高精度和高效性，在高速公路的開(kāi)發(fā)建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮更加重要的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS-RTK 測(cè)量技術(shù)精度高，測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單高效，對(duì)一些地形環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此其適用范圍不斷擴(kuò)大。為了達(dá)到該技術(shù)的效果，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置待測(cè)點(diǎn)，具體操作必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行。該測(cè)量設(shè)備具有優(yōu)良的性能和實(shí)用價(jià)值，可以充分發(fā)揮GPS-RTK 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高測(cè)量水平。