GPS-RTK在高速铁路工程中的应用

2013-12-12 21:01:30　来源: 测绘论坛　作者：

随着经济的日益发展，人们在紧张的生活压力下对时间的要求越来越高。然而交通使人们在日常生活中消耗了不少的时间，如何才能使得各种各样的人群能够在紧张的生活压力下减少对时间的消耗呢？高铁。随着全球定位系统（GPS）技术不断完善及计算机技术和相应科学的发展，GPS的应用范围在不断扩大，精度也越来越高，随之在土木工程中也得到了很好的应用。其中包括了GPS-RTK技术在高铁建设中的应用。

1.1 GPS

1.1 GPS的简介

全球定位系统（Navigation SatelliteTiming And Ranging/Gobal PositiongSystem,NAVTAR简称GPS），是美国国防部研制的全球性，全天候，连续性的卫星无限线电导航系统。在1994年3月28日全面建成，它可以提供实时的三位位置，三位速度和高精度的星信息时间，还为测绘工作提供一个崭新的定位测量手段。近年来来，GPS定位技术给测绘领域带来一场深刻的技术革命，它标志着测量工程技术的重大突破和深刻变革，对测量学科赫尔技术的发展，具有划时代的意义。

1.2GPS含义

他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时目前世界上最先进﹑最完善的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面，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﹑运载工具导航与管制﹑地壳运动监测﹑工程变形监测﹑资源勘查﹑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。

1.3 GPS原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。

利用GPS系统，用户不但可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；而且还可以进行高精度的时间传递和高精度的精密定位，它由三大部分组成：空间部分--GPS卫星--地面控制部分--地面监控系统--用户设备部分--GPS信号接收机；在GPS定位中，空间部分的GPS卫星发射测距信号和导航电文（导航电文中含有卫星的位置信息），用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）至3颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站的位置。

1.4 GPS测量的优点

　　GPS测量技术相对于常规的测量作业理念而言，是一个革命性的技术创新，它具有以下几点优点：

　　（1）定位精度高；

　　（2）可全天候作业，不受时差的影响；

　　（3）各个测量站之间不需要通视；

　　（4）观测时间很短；

（5）可以提供三维坐标；

（6）操作简单，容易上手。

2.1 RTK技术

2.1.1 RTK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。

2.1.2RTK技术的原理

RTK（Real-time kinematic）实时动态差分法。这是一种新的常用的GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。
　　RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。随着科学技术的不断发展，RTK技术已由传统的1+1或1+2发展到了广域差分系统WADGPS，有些城市建立起CORS系统，这就大大提高了RTK的测量范围，当然在数据传输方面也有了长足的进展，由原先的电台传输发展到现在的GPRS和GSM网络传输，大大提高了数据的传输效率和范围。在仪器方面，现在的仪器不仅精度高而且比传统的RTK更简洁、更容易操作。

2.1.3RTK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。

2.1.4 RTK的实际应用

　实时动态定位有快速静态定位和动态定位两种测量模式，两种定位模式相结合,在铁路工程中的应用可以覆盖铁路勘测、施工放样、施工监理、竣工测量等方面。快速静态定位模式要求GPS接收机在每一流动站上，静止的进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密，若采用常规测量方法，如全站仪测量，受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用快速静态测量，可起到事半功倍的效果。单点定位只需要10-20分钟，而随着技术的不断发展，定位时间还会缩短，不及静态测量所需时间的五分之一，在铁路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
　　动态定位模式在铁路工程测量前需要在控制点上静止观测一段时间，有的GPS测量仪器只需在进行初始化工作之后，流动基站记手机就可以按预定的采样间隔时间自动进行观测并采样，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间坐标位置。

3.1 GPS-RTK的工作原理

一﹑GPS-RTK技术采用了载波相位动态实时差分的方法，能够在野外实时提供测站点在指定坐标系中三维定点结果，并达到厘米级的精度，所需时间不到1min。

二、一般的GPS接收机对精度的描述是以相对精度进行的，对RTK实时定位精度描述为：平面 10mm+(1~2)×10^-6,高程2cm+(1~2)×10^-6 这是在WGS-84框架下的相对精度，但在转换到可用的城市坐标系或北京坐标系中精度如何，还有看它受到的一些因素的影响。

三、高铁的施工测量主要包括以下内容：1 、中线的恢复和测定 2 、水准点的复查与加设3 、横切面的检查与补测4 、预留桥梁和涵洞位置5 、施工中的测量,主如果检查挖、填情况,是不是符合预设要求6 、广大测量中的其它事项

GPS-RTK在高速铁路工程中的应用。下面以GPS在京沪高速铁路中的应用为例。其中包括路基放样、施工监测、后期监测。

4.1 施工测量基本概况

本次施工测量范围位于京沪高速铁路济南罗而庄到张夏镇，全长15.9km，地形复杂，（查阅于百度百科）同视情况差，放样难度大。

4.2 作业过程

包括选择作业时段、建立测区平面控制网、建立测区高程控制网、基准站选定、放样内业数据准备、外业操作、内业处理等。

路基放样：把设计图纸上高铁桩点的平面位置和高程，用GPS-RTK测设到实地上去。

主要内容包括：a 、在路中线各中点处测定填挖高度 b、确定横切面的方向c 、按预设图纸在地面上定出横切面上各点的位置,如路基中心点、边缘点、路堤坡脚几路堑坡顶d 、边坡防样,按预设的路基边坡率,把边坡的位置标出来e 、移桩移点。

施工监测：在高铁施工过程中实时监测其施工精度及其变形沉降。保证施工顺利进行。即首先布置好控制网，然后对某些选定的基点进行监测，看其在水平方向或竖直方向上是否有变化，是否在允许范围内。

后期监测：高铁建设完成后需要定期对其进行进行监测，看其是否有变形或沉降。同样，首先必须布置好控制网，对原来设置好的基点进行监测，看其于上次所测值是否在允许范围内。

4.3优点

GPS-RTK作业有着较高的精度，观测速度快，已在越来越多的测量工作中得到应用，非常适合大规模的工程测量和其他测量工作。

GPS-RTK作业不受同视条件影响，单站测量控制范围广，操作简单，有效地减少了因地形复杂带来的繁重工作量。

GPS-RTK技术具有自动化程度，可以极大地降低劳动作业强度，减少工作量，提高作业效率。

不仅是GPS-RTK技术，还有更多的测绘技术在土木工程中得到了广泛应用，相信随着测绘技术的不断进步，必将会给土木工程提供更快速、更高质量的服务。

总结

GPS技术已经广泛地应用在铁路工程的测量当中，尤其是RTK技术，相信随着社会不断的发展，技术的不断进步，GPS的应用前景将会更加的广阔。

参考文献

一、《工程测量》：测绘类∕周建郑主编.-2版.-郑州：黄河水利出版社，2010.7

二、尚永太.GPS技术在铁路测量中的应用[J].铁道勘测与设计，2004(01)

三、《测量学》：同济大学出版社/顾晓烈.-3

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