GPS-RTK技術(shù)在高速鐵路工程測量中的應(yīng)用

杜鵬偉

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100041）

勘察是中國鐵路建設(shè)初期最重要的環(huán)節(jié)，在鐵路工程勘察過程中，需要進行電氣設(shè)計勘察、征地勘察、基礎(chǔ)勘察、施工安裝勘察、鐵路工程勘察。測量在項目后期的維護和檢查過程中也發(fā)揮著重要作用。目前，在中國，GPS-RTK技術(shù)正在應(yīng)用于鐵路工程研究中，GPS-RTK技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用正在中國鐵路工程研究工作中產(chǎn)生重大影響?，F(xiàn)階段，GPS-RTK技術(shù)將主要應(yīng)用于選路階段、路線階段、位置管理等相關(guān)環(huán)節(jié)，促進中國鐵路工程的健康發(fā)展。

1 RTK技術(shù)概述

除了用于管理固網(wǎng)傳輸外，RTK還可以用于實時監(jiān)控，基于載波時間監(jiān)測的RTK測量技術(shù)可以檢測特定的GPS測量值。主要思想是設(shè)置從參考站到接收器的GPS以監(jiān)控視覺狀態(tài)。內(nèi)置的GPS衛(wèi)星持續(xù)監(jiān)控并使用無線發(fā)射器將視覺數(shù)據(jù)實時發(fā)送到用戶的監(jiān)控通道。在用戶監(jiān)測站，GPS接收機接收參考站發(fā)送的觀測數(shù)據(jù)，然后接收衛(wèi)星信號，此過程需要無線設(shè)備，它還基于相對位置理論實時求解整個圓的不等式，找到未知數(shù)，并計算用戶信道的空間和精度，狀態(tài)結(jié)果實時計算，用戶監(jiān)測通道對觀測質(zhì)量進行評價，對得到的結(jié)果和結(jié)果的準(zhǔn)確性進行實時判斷和組合，避免出現(xiàn)不必要的問題，顯示反應(yīng)時間短。

GPS-RTK技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的測量技術(shù)之一，可以使用GPS來識別、分析和整合測量數(shù)據(jù)，開發(fā)基于精確GPS技術(shù)的RTK（實時動態(tài)）技術(shù)。結(jié)合和改進這兩種技術(shù)將產(chǎn)生測量技術(shù)的新策略。可以有效提高測距精度，保證實時定位數(shù)據(jù)精度，形成RTK技術(shù)后，可以在技術(shù)研究中發(fā)揮重要作用。

GPS-RTK系統(tǒng)實際運行需要三個組成部分：基站、移動臺和數(shù)據(jù)連接。這三種協(xié)作方式可以有效提高測量精度。還可以將GPS接收器收集的所有數(shù)據(jù)發(fā)送到通道，最后使用互聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到電話通道。此功能既可以提高GPS數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，檢測數(shù)據(jù)錯誤，也可以提供給數(shù)據(jù)地圖供以后使用。

2 高速鐵路工程測量中常見的問題

（1）缺乏相關(guān)設(shè)計方案。在這個階段，許多研究項目在高鐵工程研究之前沒有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方案。在這種情況下直接進行地質(zhì)調(diào)查會增加整體調(diào)查工作的不確定性并可能使最后的工作無效。如果下一個測量任務(wù)沒有解決方案，就會對原有網(wǎng)絡(luò)造成一定的破壞，增加測量任務(wù)的工作量，測量目標(biāo)的實現(xiàn)問題非常嚴(yán)重。

（2）測量誤差較大。在進行調(diào)查和布置巖土網(wǎng)絡(luò)時，一些研究單位在追求單邊成本節(jié)約和縮短施工時間方面遇到了困難。此外，層次網(wǎng)絡(luò)布局理論在實際測繪中并未受到太多關(guān)注。因此，測量誤差不斷累積，最終影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 GPS-RTK技術(shù)工作原理

目前，RTK 的全稱是常規(guī)數(shù)據(jù)庫部署技術(shù)。最先進的技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)級厘米，可以滿足整個工程規(guī)模的整體精度要求。

RTK技術(shù)通過結(jié)合地球靜止軌道技術(shù)、空間技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)等廣泛的技術(shù)能力，可廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。 RTK 具有三個主要組成部分：基站、多移動信道和通信系統(tǒng)。提供基站的設(shè)備包括 GPS 接收器和天線、無線傳輸、電源、信道控制器等。流動站的主要功能有GPS天線、接收機、指南等。

在測量過程中，所有衛(wèi)星數(shù)據(jù)都被傳輸?shù)交?，基站又將?shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿优_?？梢钥吹剑總€移動頻道收到的數(shù)據(jù)有兩個來源：衛(wèi)星數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)頻道數(shù)據(jù)。當(dāng)移動頻道被激活時，控制器訪問主頻道數(shù)據(jù)并顯示移動頻道的確切空間。 RTK 系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地解決數(shù)值歧義的主要原因是系統(tǒng)的算法非常快。該高速算法包括運算法、最小二乘搜索法、綜合波導(dǎo)搜索法和高速衰減法。 RTK 技術(shù)的優(yōu)勢在于高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。主要的 RTK 調(diào)整系統(tǒng)是 WGS-84 系統(tǒng)。后者包括前者的所有觀察和解決方案。目前，日本使用的自適應(yīng)系統(tǒng)是1980年的國家大地測量系統(tǒng)，在此之前，還有1954年的調(diào)整系統(tǒng)、各種工程整合系統(tǒng)、城市平衡系統(tǒng)等各種區(qū)域系統(tǒng)。因此，實用程序需要將 RTK 調(diào)諧系統(tǒng)（WGS-84） 更改為本地調(diào)諧系統(tǒng)。因此，需要區(qū)分測量單位（旋轉(zhuǎn)刻度、刻度測量、旋轉(zhuǎn)方式）。

4 GPS-RTK技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換及誤差分析

（1）網(wǎng)域整合的信號輪換問題。在實現(xiàn)GPSRTK技術(shù)時需要考慮可調(diào)參數(shù)。這些調(diào)整選項和轉(zhuǎn)換參數(shù)是為RTK分析提供的。最后的技術(shù)動作可以改進，直到一切都完成。但是，在傳輸信號時應(yīng)注意以下因素：首先，要特別注意探測和焦點區(qū)域的選擇，每個主體的分布要均衡，以確保一致性。在選擇主題時，最好選擇至少三個涵蓋整個區(qū)域的共同點；其次，在激活GPS-RTK之前，需要在GPS位置確認(rèn)一定次數(shù)，在更換天平之前，必須準(zhǔn)確測量整個坐標(biāo)，也可以在RTK逆變器中插入?yún)?shù)，以提高參數(shù)的準(zhǔn)確性。

（2）誤差分析。應(yīng)用GPS-RTK定位技術(shù)時出現(xiàn)誤差，需要分析和糾正電流誤差，以提高工程測量的整體準(zhǔn)確率。首先，可能存在用戶使用接收機特有的錯誤，例如內(nèi)部振動、噪聲、重新定位、天線變化、線路變化等，都可能導(dǎo)致錯誤。最常見的誤差是信號干擾和天氣影響。狀態(tài)中出現(xiàn)的誤差會影響最終的技術(shù)測量數(shù)據(jù)，應(yīng)予以消除。除了提高技術(shù)的科學(xué)性外，還應(yīng)使用特殊的技術(shù)設(shè)備來減少這些誤差。使用誤差分析技術(shù)可以消除所有用戶接收器共有的誤差，例如對流層誤差、傳播延遲誤差和天體運動誤差。使用創(chuàng)新技術(shù)和其他方法可以避免其他錯誤，但要注意修復(fù)過程中存在殘留錯誤。如果未能盡快消除錯誤，會增加了后續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的難度，無法確認(rèn)準(zhǔn)確性。

5 GPS-RTK技術(shù)在工程研究中的應(yīng)用

（1）快速穩(wěn)定的位置分析。高對準(zhǔn)技術(shù)也是一種基本的定位技術(shù)，但這項技術(shù)的特點是高精度、高質(zhì)量和方便。該技術(shù)的原理是在每個用戶通道安裝一個GPS設(shè)備，以確保接收器處于一個穩(wěn)定的位置，可以正確顯示數(shù)據(jù)，用戶信道接收包含轉(zhuǎn)換信息的信道和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，用戶通道的界面可以微調(diào)。但是，如果輸出的變化很小，則它是穩(wěn)定的，可以容忍厘米誤差，此外，在定位完成后，信道接收器可以在特定位置工作時使用接收器測量衛(wèi)星頻率。

（2）動態(tài)的定位。由于GPS的強推送性，定位工作分為以下兩種：一是時間分配；二是測量。在進行測量之前，需要關(guān)閉控制面板，幾分鐘后，樣本數(shù)據(jù)返回接收器，采集的樣本直接返回到移動站接收器。這樣可以找到樣本點的確切位置，例如搜索地理空間坐標(biāo)、顯示厘米誤差內(nèi)的位置以及快速移動導(dǎo)航功能。

（3）準(zhǔn)動態(tài)的定位分析。參考位置也是一個重要的基礎(chǔ)，基于動態(tài)位置測量技術(shù)，有一個類似的原理，移動站接收機必須在測量前進行初始化，以便在穩(wěn)定的起點進行觀測和采樣，測量前必須重啟移動站接收機，以便在準(zhǔn)確的開機時間對產(chǎn)品進行測試，初始完成后，移動站接收機可以從任何一個源通道接收同步數(shù)據(jù)。該方法測量速度快、精度高，適用于各種氣象圖和地圖的分析設(shè)計。

6 GPS-RTK技術(shù)在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用

6.1 控制測量的應(yīng)用

在基礎(chǔ)測量中使用GPS-RTK技術(shù)可以顯著提高測量精度。使用現(xiàn)有的測量技術(shù)會造成很多問題，容易影響項目的實施。傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)，包含全局控制指標(biāo)和本地指標(biāo)兩樣，這兩個都占據(jù)了重要的位置。要加快整體空間搜索，需要知道如何進行源映射。這種方法可以提高單線測量的精度，但會消耗更多的員工和設(shè)備。因此，無論是具體的利用測量進行施工指導(dǎo)還是工程調(diào)整，都可以利用GPS-RTK技術(shù)進行測量，完成整個測量過程，提高測量的可靠性和快捷性。

6.2 勘探線路

在鐵路路線的選擇和設(shè)計層面，GPS-RTK技術(shù)仍然具有重要價值。在選擇道路位置時，需要加強研究和分析，為道路系統(tǒng)選擇正確的路線，減少農(nóng)場和房屋的數(shù)量，并充分利用舊道路。這就可以使用GPS-RTK技術(shù)來實施科學(xué)戰(zhàn)略。根據(jù)GPS-RTK技術(shù)的工作原理，GPS-RTK接收機可以作為移動RTK系統(tǒng)中的“漫游器”，成為整個RTK技術(shù)系統(tǒng)設(shè)置選擇的參考信道。從取景器收集數(shù)據(jù)，一旦收集到數(shù)據(jù)，開發(fā)人員需要使用計算機和數(shù)據(jù)分析軟件來衡量數(shù)據(jù)并做出最佳決策。

6.3 線路的中線以及縱、橫斷面放樣

與傳統(tǒng)的交點積分方法相比，GPS-RTK技術(shù)在研究中更加高效。首先，在設(shè)計鐵路的中線時，只需在每條車道的直線上添加網(wǎng)格并彎曲它們，然后將每個樁的庫存編號輸入計算機系統(tǒng)，然后輸入一些基本數(shù)據(jù)，如平均角度、到直線的距離和彎曲長度、圓半徑等數(shù)據(jù)就足夠了，其他任務(wù)可以通過GPS電子手冊完成。其次，在豎向上，只須將每個坡度的航道編號、垂線、曲線半徑等信息輸入GPS電子書，然后輸入室內(nèi)建筑測試軟件，設(shè)計結(jié)果將根據(jù)路徑特征自動創(chuàng)建。樁測試在設(shè)計和施工現(xiàn)場進行。最后，在路基地段，根據(jù)設(shè)計和施工要求確定斷面形狀、填挖方方法，最終確定邊坡設(shè)計數(shù)據(jù)：坡度、道路寬度和斷面截面。如果GPS電子手冊有道路選項功能，系統(tǒng)會提供與設(shè)計和施工相對應(yīng)的視圖文件，以滿足必要的定位要求。

使用GPS-RTK技術(shù)進行分析，收集路線導(dǎo)航所提供的所有數(shù)據(jù)，無需額外進行數(shù)據(jù)收集和測量，減少鐵路建設(shè)費用和建設(shè)周期。

6.4 GPS RTK技術(shù)可防止錯誤初始化的發(fā)生

此外，工軌測量RTK GPS技術(shù)應(yīng)用可以防止工軌測量中的錯誤。在火車發(fā)動機測量系統(tǒng)中，如果研究人員在同一路線上的一個地方進行兩次調(diào)整，則會錯誤地重新開始。

在測量過程中意外啟動有兩個主要原因。首先，有一些限制，例如影響軌距無線電信號源傳播的流動站和列車軌距語音站附近的樹木。第二個問題是，在鐵路工程師的研究中，流動站與車站之間的距離太大，以至于衛(wèi)星圖像的影響可以忽略不計，員工很難測量出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)量。在火車發(fā)動機測量系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時，啟動時間通常會超過 6 分鐘，而 RTK 技術(shù)可以應(yīng)用于火車發(fā)動機，這樣只有員工需要減少流動站與車站之間的距離。測量工作期間到射頻范圍的 1 /2，同時在列車工程標(biāo)準(zhǔn)周期總和中均方根誤差應(yīng)降至8以下，這可以提高系統(tǒng)工程測量的效率和效率。

7 GPS-RTK技術(shù)在高速鐵路工程測量放樣中的注意事項及質(zhì)量控制措施

7.1 注意事項

第一，要盡快搭建出基準(zhǔn)站，其性能要達到標(biāo)準(zhǔn)。在搭建基準(zhǔn)站的路段選擇上，要優(yōu)先選擇比較空曠且盡可能地將控制點布置在干擾因素少的路段，之后將各個儀器設(shè)備連接在一起，并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入基準(zhǔn)站的接收器中，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第二，對系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)進行定位，用科學(xué)合理的方法校對每一個坐標(biāo)點，在保證每一個坐標(biāo)點準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)參數(shù)。最后，確保坐標(biāo)點校對的合理性，正常情況下使用以下兩種形式來進行：對已知的坐標(biāo)點進行校對；對模糊的坐標(biāo)點進行校對。

7.2 質(zhì)量控制措施

（1）通過穿線比較法掌控測量工作的質(zhì)量。為了使工作質(zhì)量進一步提高，在檢測區(qū)域內(nèi)使用GPSRTK技術(shù)完成測量以后，還需要有一條新的GPSRTK技術(shù)測量線路。確定出一個GPS-RTK點，利用已有的數(shù)據(jù)來分析控制點的質(zhì)量。

（2）通過復(fù)測比較措施掌控測量工作的質(zhì)量。數(shù)據(jù)復(fù)測的工作要在基準(zhǔn)站搭建完成以后進行，優(yōu)先對上一個基準(zhǔn)站所復(fù)核的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行核對。正常情況下，每一個RTK點都對應(yīng)1～3個點，在施工現(xiàn)場就可以操作匹配，如果二者不能吻合，則需要進一步復(fù)測。

（3）通過快速靜態(tài)比較法掌控測量工作的質(zhì)量。在使用GPS-RTK技術(shù)進行測量的過程中，進行測量的方法還有靜態(tài)對比法，可以多種方法共同作業(yè)，最終將兩種不同的方法得到的結(jié)果進行對比分析，這樣有利于驗證GPS-RTK技術(shù)的穩(wěn)定性與可靠性，也可以最大程度上保證RTK的測量質(zhì)量。

（4）通過避免數(shù)據(jù)鏈相關(guān)誤差來掌控測量工作的質(zhì)量。因無線電與設(shè)備自身因素會出現(xiàn)一些干擾問題，這就導(dǎo)致最后的數(shù)據(jù)是存在一定誤差的?；诖朔N現(xiàn)象，在選擇施工作業(yè)時間、作業(yè)場所及天氣狀況時就要慎重再慎重，要及時檢查測量設(shè)備的性能是否良好，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（5）盡可能地選擇高性能的測量設(shè)備，可以避免由設(shè)備問題導(dǎo)致精準(zhǔn)度下降的情況。

8 結(jié)語

綜上所述，GPS-RTK對于測量和管理道路建設(shè)的各個部分非常有用。與以往的測量設(shè)備相比，該工具具有測量時間更短、運行效率更低、精度更高等諸多優(yōu)點。但是，在某些情況下，必須仔細準(zhǔn)備技術(shù)。進行搜索時，需要注意基站的位置，選擇聚焦區(qū)域、指令長度、開放位置，保證信息質(zhì)量，周圍沒有磁場。此外，還需要對綜合調(diào)查結(jié)果和基層檢修結(jié)果進行調(diào)整，如此使用這種觀測調(diào)整系統(tǒng)可以獲得高精度。