GPS RTK 技术及其在道路工程测量中的应用
摘要: 介绍了GPS 系统, 重点阐述了RTK 技术的原理、组成、特点等, 并总结了GPSRTK 技术在道路工程测量中的应用。
关键词: GPS; RTK; 道路工程测量
1 GPS 系统 GPS 是全球定位系统(Navigation SatelliteTiming and Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR/GPS)的英文缩写[2], 它的含义是利用卫星的测时和测距进行导航, 以构成全球定位系统。现在国际上公认, 将这一全球定位系统简称为GPS。GPS 是目前世界上最先进、最完善的卫星导航系统与定位系统, 经近10 年我国测绘等部门的使用表明, GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点, 赢得广大测绘工作者的信赖, 并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科, 从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命[3]。 2 RTK 技术 2.1 RTK 技术简介。RTK 技术是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS 测量技术。是一种将GPS 与数传技术相结合, 实时解算进行数据处理, 在1~2 秒的时间里得到高精度位置信息的技术, 它是GPS 测量技术发展的一个新突破, 在道路工程中有广阔的应用前景。
2.2 RTK 技术的基本原理。建立无线数据通讯是实时动态测量的保证, RTK 技术的原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点, 安置一台接收机作为参考站对卫星进行连续观测,流动站上的接收机在接收卫星信号的同时, 通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据, 随机计算机根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。这样用户就可以实时监测待测点的数据观测质量和基线解算结果的收敛情况, 根据待测点的精度指标, 确定观测时间, 从而减少冗余观测, 提高工作效率[4]。
2.3 RTK 系统的组成。RTK 系统主要由基准站接收机、数据链及移动接收机三部分组成。它是利用2 台以上GPS 接收机同时接收卫星信号, 其中一台安置在已知坐标点上作为基准站,另一台用来测定未知点的坐标( 移动站) 。基准站根据该点的准确坐标求出其他卫星的距离改正数并将这一改正数发给移动站, 移动站根据这一改正数来改正其定位结果, 从而大大提高定位精度。它能够实时地提供测站点指定坐标系中的三维定位结果, 并达到厘米级精度。RTK 技术根据差分方法的不同分为修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给移动站, 改正移动站的接收载波相位, 再求解坐标; 差分法是将基准站采集到的载波相位发送给移动站, 进行求差解算坐标。
2.4 RTK 技术的特点。RTK 技术具有如下优点[6]: a.工作效率高。在一般的地形地势下, 高质量的RTK 设站一次即可测量完4km 半径的测区, 大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数, 移动站一人操作即可, 劳动强度底, 作业速度快, 提高了工作效率。b.定位精度高。只要满足RTK 的基本工作条件, 在一定的作业半径范围内( 一般为4km) , RTK 的平面精度和高程精度都能达到cm级。c.全天候作业。RTK 测量不要求基准站、移动站间光学通视, 只要求满足“电磁波”通视, 因此和传统测量相比,RTK 测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制小, 在传统测量看来难于开展作业的地区, 只要能满足RTK 的基本工作条件, 它也能进行快速高精度定位, 使测量工作变得更容易更轻松。d.RTK 测量自动化、集成化程度高, 数据处理能力强。RTK 可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统, 无需人工干预便可自动实现多种测绘功能, 减少了辅助测量工作和人为误差, 保证了作业精度。 3 RTK 在道路工程测量中的应用
3.1 绘制大比例地形图。高等级公路选线多是在大比例尺( 通常是1: 2000 或1: 1000) 带状地形图上进行, 用传统方法测图, 先要建立控制网, 然后进行碎部测量, 绘制成大比例尺地形图,其工作量大速度慢, 花费时间长。用实时GPS 动态测量, 构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图, 由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。
3.2 控制测量。用GPS 建立控制网, 最精密的方法当属静态测量。对大型建筑物, 如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制, 宜用静态测量。而一般公路工程的控制测量, 则可采用RTK 动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度。当达到要求的点位精度, 即可停止观测, 大大提高了作业效率。由于点与点之间不要求通视,使得测量更简便易行。
3.3 线路勘测。在公路选线过程中, 我们往往要按照勘测设计规范, 本着尽量减少占用农田、少拆迁房屋并尽量利用旧路路基这样一个原则, 为了准确设计好道路中线路使其符合设计要求, 我们可以利用GPS RTK 技术, 用车载GPSRTK 接收机做流动站, 沿原路中线按一定间隔采集数据, 选择另一已知点为参考站, 遇到重要地物, 准确定位, 最后将数据传入计算机, 利用AutoCAD 软件可以方便在计算机上选线。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路中线在地面上标定出来, 并得到中桩点坐标及坐标文件。采用实时GPS 测量, 只需将中桩点坐标或坐标文件输入到GPS 电子手簿中, 系统软件就会自动定出放样点的点位由于每个点的测量都是独立完成的, 所以不会产生累计误差, 各点放样精度趋于一致。
3.4 道路的中线测设。设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路在地面标定出来。采用动态GPS 测量, 只需将中线主点的坐标输入GPS 接收机中, 系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立完成的, 不会产生累积误差, 各点放样精度趋于一致。
3.5 公路纵、横断面放样。公路中线确定后,利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时, 也可采用动态GPS测量。与传统方法相比, 在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。
3.6 施工测量。动态GPS 系统既有良好的硬件, 也有极其丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷, 精度可达到厘米级。随着动态GPS 测量技术的不断发展、完善, 将更加充分的显示出这一技术的高精度和高效益, 它会为公路工程建设的发展和进步发挥更大的作用。 4 影响RTK 成果精度的因素 一般来说, 影响RTK 成果精度的因素主要是GPS 观测其有误差源, 除此之外, 还有受基线解算精度、基准站点位精度、坐标系转换精度的影响, 但是在RTK 作业中, 基线解算精度可以达到10cm+1μmD; 基准站点位精度平均在3cm 之内; 坐标系转换精度, 对于10km 基线亦在3cm以内, 动态作业由于测距偏心, 天线高误差等, 一般也在3cm 以内, 至于正常高拟合与内插精度取决于连测点数目与分布、拟合模型等, 一般在5cm～10cm内是能够做到的。
5 结语
RTK 技术是GPS 定位技术的一个新的里程牌,它不仅具有GPS 技术的所有优点,而且可以实时获得观测结果及精度,大大提高了作业效率并开拓了GPS 新的应用领域。由于载波相位测量,差分处理技术、整周未知数、快速求解技术以及移动数据通信技术的融合,使RTK 在精度、速度、实时性上达到了完满的结合,并使得RTK定位技术大大扩展了它的应用范围。
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