楊青坡

全球定位系統(tǒng)(GPS)在測繪生產(chǎn)部門的應(yīng)用早期主要集中于大地測量領(lǐng)域。高精度的實時動態(tài)(GPS-RTK)定位技術(shù)是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破,是測繪行業(yè)的一次重要的技術(shù)革命。

眾所周知,無論是靜態(tài)定位,還是準動態(tài)定位等定位模式,由于數(shù)據(jù)處理的原因,無法實時的解算出定位結(jié)果,而且也無法對觀測數(shù)據(jù)進行檢核,這就難以保證觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,在實際工作中經(jīng)常需要花費大量的時間進行成果檢核,這樣就大大降低了GPS測量的工作效率。因此GPS-RTK技術(shù)很快就在測繪行業(yè)的各個領(lǐng)域得到了廣泛的推廣,如地形圖測量、公路、鐵路的勘察設(shè)計和施工放樣、地質(zhì)調(diào)查和土地勘察定界與變形測量等。

1 GPS-RTK工作原理

GPS-RTK是一項基于載波相位觀測為基礎(chǔ)的實時差分GPS測量技術(shù),是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的技術(shù),這兩個測站分別被稱作基準站和流動站?；鶞收疽话氵x設(shè)在視野較開闊、地勢較高的已知控制點上,從而方便于對 GPS衛(wèi)星進行連續(xù)跟蹤觀測,在基準站上設(shè)置一臺 GPS接收機,通過對所有可見的GPS衛(wèi)星進行連續(xù)性觀測,然后將其得到的觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備,準確地、實時地發(fā)送到各個用戶流動站。GPS-RTK定位能夠?qū)崟r地提供各個待測點在指定坐標系中的準確三維定位結(jié)果,用戶流動站通過數(shù)據(jù)鏈接收不僅能得到來自基準站的數(shù)據(jù),還可進行 GPS觀測數(shù)據(jù)采集工作,并在系統(tǒng)內(nèi)通過組成差分觀測值的方式對所得數(shù)據(jù)進行實時處理,同時給出厘米級的動態(tài)定位結(jié)果。

傳統(tǒng)的靜態(tài)定位測量是在一條或數(shù)條基線的端點之上分別安置兩臺或兩臺以上的GPS接收機,以基線長度的要求及其精度為主要依據(jù),對所得觀測值進行處理工作,可得到任一測站的精密的WGS-84基線向量,經(jīng)過國家三角點或更高精度的A級網(wǎng)點聯(lián)測、坐標解算、平差、坐標傳遞、坐標轉(zhuǎn)換等工作,最終得到坐標結(jié)果,這是一段非常耗時的工作。顯然靜態(tài)定位測量的這種工作特性決定其不具備實時性。而GPS實時動態(tài)(RTK)定位技術(shù)是在傳統(tǒng)的靜態(tài)定位測量常用設(shè)備的基礎(chǔ)之上,增加一套無線電數(shù)字傳輸設(shè)備系統(tǒng)(我們通常稱之為電臺),從而把以前兩個相對獨立的GPS信號接收系統(tǒng)連成了一個有機的整體?；鶞收就ㄟ^無線電數(shù)字傳輸設(shè)備系統(tǒng)將觀測值數(shù)據(jù)、信息實時地傳輸給各個用戶流動站,用戶流動站根據(jù)基準站傳來的載波相位觀測信號,與流動站本身的載波信號成基線進行實時數(shù)據(jù)處理工作,就能很快速地解算出兩站間的基線值。由于接收機輸入了相應(yīng)的坐標轉(zhuǎn)換和投影參數(shù)等相關(guān)信息,所以也就能實時地得到各個用戶流動站測點坐標位置。

2 GPS-RTK技術(shù)優(yōu)點

1)作業(yè)效率高。一般的地形地勢下,高質(zhì)量的 RTK設(shè)站一次即可測完 10 km半徑的測區(qū),大大減少了傳統(tǒng)測量所需的控制點數(shù)量和儀器的搬站次數(shù),僅需一人操作,在一般的電磁波環(huán)境下幾秒鐘即可得到一點坐標,作業(yè)速度快,勞動強度低,節(jié)省了外業(yè)費用,提高了勞動效率。

2)定位精度高,數(shù)據(jù)安全可靠,沒有誤差積累,只要滿足 RTK的基本工作條件,在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi),RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級。

3)降低了作業(yè)條件的要求。RTK技術(shù)不要求兩點間滿足光學通視,只要求滿足“電磁波通視”,因此,與傳統(tǒng)測量相比較, RTK技術(shù)受通視條件、能見度、氣象、季節(jié)等因素的影響和限制較小,就算是復(fù)雜的地形區(qū)域,只要能滿足RTK的基本條件,都能夠輕松的完成高精度的定位。

4)RTK作業(yè)自動化、集成化程度高,測繪功能強大。RTK適用于各種測繪內(nèi)外業(yè)。流動站利用內(nèi)部軟件,無需人工就能自動實現(xiàn)多種測繪功能,從而減少人為誤差,保證了作業(yè)精度。

5)操作簡單容易使用,數(shù)據(jù)處理能力強。只要在設(shè)站時進行簡單的設(shè)置,就可以實時進行測量。數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強,能方便快捷地與計算機和其他測量儀器通信。

3 作業(yè)方法

1)建立測區(qū)平面控制網(wǎng)。根據(jù)中線放樣資料,運用 GPS靜態(tài)測量方法建立測區(qū)控制網(wǎng),每 4 km一對點,其中對點間保持通視,利用GPS數(shù)據(jù)處理軟件求出各控制點的平面坐標,與此同時也不得不考慮其投影變形,其變形的程度取決于測區(qū)地理位置和高程,鐵路線路跨越范圍廣,線路走向、地形情況千差萬別,長度變形也因此各不相同,所以必須采取一些相應(yīng)的措施來削弱長度變形。

2)高程控制測量。GPS得到的高程是大地高,而實際工程采用的卻是正常高,因此需要將大地高轉(zhuǎn)化為正常高。但測區(qū)的高程異常通常來說是未知數(shù),且變化較為復(fù)雜,特別在山區(qū),精度更差。此外,新線定測要求約每隔 2 km設(shè)置一水準點,但存在著有些地形不能滿足 GPS觀測的條件,采用高程擬合的方法擬合所得的高程精度也因此不能得到保證,完全地用 GPS替代等級水準難度較大。因此等級水準仍需采用水準儀作業(yè)模式。

3)計算基準轉(zhuǎn)換參數(shù)。合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS-84和北京 54坐標以及高程的公共點,求解轉(zhuǎn)換參數(shù),為RTK動態(tài)測量工作做好準備。求解基準轉(zhuǎn)換參數(shù)時,公共點平面殘差應(yīng)控制在1.5 cm以內(nèi),高程殘差應(yīng)控制在3 cm以內(nèi)。

4)基準站選定。基準站設(shè)置除了滿足 GPS靜態(tài)觀測的條件外,還應(yīng)設(shè)在地勢較高、四周開闊的位置,便于電臺的發(fā)射?；鶞收疽嗽O(shè)于已知平面高程控制點上,也可在未知點上設(shè)站。

5)放樣內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)準備。根據(jù)實際情況求算出所需要放樣點的所有坐標,并將這些坐標按照特定的格式導入到 GPS手簿里面,以便進行外業(yè)放樣。

6)外業(yè)操作。將基準站接收機設(shè)在基準點上,開機后進行必要的系統(tǒng)設(shè)置、無線電設(shè)置及天線高等輸入工作。通常公布的坐標系統(tǒng)和大地水準面模型不考慮投影中的當?shù)仄?因此要通過點校正來減少這些偏差,獲得更精確的當?shù)鼐W(wǎng)格坐標,且確保作業(yè)區(qū)域在校正的點范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

GPS-RTK動態(tài)測量技術(shù)不僅能達到較高的定位精度,而且大大提高了測量的工作效率,從而縮短了整個勘察工程的外業(yè)工期。隨著 RTK技術(shù)的不斷完善發(fā)展,該技術(shù)已經(jīng)逐步應(yīng)用到了地形圖測量當中,大大的減輕了測量人員的勞動強度。因此,RTK技術(shù)在鐵路工程測量領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 成桂靜.GPS在工程測量中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35 (1):355-356.