時(shí)載波相位差分ＧＰＳ技術(shù)在公路測(cè)量作業(yè)中的應(yīng)用研究

林建軍　卓　鑫

摘要: 時(shí)載波相位差分(RTK)作業(yè)模式能實(shí)時(shí)地給出厘米級(jí)精度的點(diǎn)位坐標(biāo)，解決了當(dāng)前公路測(cè)量中許多常規(guī)方法無(wú)法解決的技術(shù)問(wèn)題，因此，在公路勘測(cè)中得到廣泛使用。筆者結(jié)合自身工作實(shí)際分析了GPS RTK系統(tǒng)的工作原理，并重點(diǎn)對(duì)RTK的作業(yè)方式進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞:RTK；GPS技術(shù)；作業(yè)方式

1 引言

傳統(tǒng)的公路勘測(cè)工作辛苦且繁瑣，存在著勘測(cè)周期長(zhǎng)、工作效率低等諸多問(wèn)題。最大限度地減輕公路勘測(cè)工作量、提高公路勘測(cè)效率和勘測(cè)精度，一直是公路勘測(cè)工作者孜孜以求的目標(biāo)。目前，GPS技術(shù)的發(fā)展為公路勘測(cè)技術(shù)的騰飛奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代公路勘測(cè)中，定測(cè)階段和施工階段主要是利用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分定位技術(shù)來(lái)完成傳統(tǒng)測(cè)量方法中的圖根加密控制、像控點(diǎn)測(cè)定、帶狀圖測(cè)繪以及施工放樣測(cè)量等工作，并在統(tǒng)一坐標(biāo)系下提供點(diǎn)位的三維數(shù)據(jù)信息。

2 GPS RTK 系統(tǒng)的工作原理

RTK系統(tǒng)主要由一個(gè)參考站（即基準(zhǔn)站）、若干個(gè)流動(dòng)站、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)3大部分組成?；鶞?zhǔn)站包括：GPS接收機(jī)、GPS天線、無(wú)線電通訊發(fā)射設(shè)備、電源、基準(zhǔn)站控制器等設(shè)備。流動(dòng)站的基本配置是：GPS天線、GPS接收機(jī)、無(wú)線電通訊接收設(shè)備、電源、流動(dòng)站控制器。RTK系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖1：

RTK測(cè)量時(shí)，基準(zhǔn)站將接收到的所有衛(wèi)星信息及其基準(zhǔn)站信息一起由通訊系統(tǒng)傳送給各流動(dòng)站。各流動(dòng)站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)的同時(shí)還接收基準(zhǔn)站傳送的信息，當(dāng)流動(dòng)站完成初始化土作后，控制器即可根據(jù)接收到的信息實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示出流動(dòng)站的點(diǎn)位坐標(biāo)。RTK系統(tǒng)之所以能快速定位并且能進(jìn)行動(dòng)態(tài)初始化，是因?yàn)橄到y(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)快速求解整周模糊度AROF技術(shù)。這一技術(shù)使人們擺脫了高精度GPS載波相位測(cè)量中必須以解算整周求知數(shù)為目的的初始化問(wèn)題，以及動(dòng)態(tài)測(cè)量中必須始終保持4顆以上衛(wèi)星的連續(xù)鎖定的難題。優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)也是RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。RTK要求基準(zhǔn)站與各流動(dòng)站之間通過(guò)建立數(shù)據(jù)通訊鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站信息(數(shù)據(jù))向流動(dòng)站的實(shí)時(shí)傳輸，并能對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行正確編碼和同步檢錯(cuò)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確與實(shí)時(shí)，必須綜合考慮傳輸格式、傳輸頻率、傳輸距離、傳輸數(shù)據(jù)量等諸多因素。

3 公路RTK系統(tǒng)的作業(yè)方式

RTK測(cè)量能實(shí)時(shí)地給出厘米級(jí)的點(diǎn)位三維坐標(biāo)，從而解決了許多常規(guī)方法無(wú)法解決的技術(shù)問(wèn)題。如公路施工中的三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)放樣，可以使勘測(cè)人員逐步擺脫先控制后加密再測(cè)圖及手工操作的落后局面，實(shí)現(xiàn)一步法自動(dòng)化數(shù)字化測(cè)圖，這將顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而且因?yàn)榱鲃?dòng)站可以直接掌握參考站的進(jìn)程和測(cè)點(diǎn)精度狀況及可靠性指標(biāo)，避免了測(cè)后返工問(wèn)題，可以進(jìn)一步縮短外業(yè)觀測(cè)時(shí)間。RTK系統(tǒng)的作業(yè)方式非常靈活?；鶞?zhǔn)站采用靜態(tài)作業(yè)模式，可以安置在已知點(diǎn)上，也可以安置在待定點(diǎn)上。流動(dòng)站采用動(dòng)態(tài)作業(yè)模式，可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可以處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？稍谝还潭c(diǎn)上先進(jìn)行靜態(tài)初始化再進(jìn)行動(dòng)態(tài)作業(yè)，也可在動(dòng)態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。

3.1 不同起算條件下的RTK作業(yè)方式

在進(jìn)行公路RTK測(cè)量時(shí)，起算點(diǎn)的已有坐標(biāo)數(shù)據(jù)情況往往不盡相同。有的已知點(diǎn)可能同時(shí)具有WGS-84世界大地坐標(biāo)系坐標(biāo)和80坐標(biāo)或54坐標(biāo)，可以求解兩系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而大多數(shù)的已知點(diǎn)可能只具有80坐標(biāo)或54坐標(biāo)，還不能直接求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。特殊情況下也可能待定點(diǎn)只需要84坐標(biāo)即可。因此在具體作業(yè)方式上會(huì)有所不同。

對(duì)于已知點(diǎn)同時(shí)具有84坐標(biāo)和80坐標(biāo)或54坐標(biāo)的公路項(xiàng)目，可以在RTK系統(tǒng)中直接輸入已知點(diǎn)的兩套坐標(biāo)，選用合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，通過(guò)公共點(diǎn)匹配求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，檢驗(yàn)合格后保存采用。此時(shí)要求基準(zhǔn)站必須安置在已知點(diǎn)上，而且應(yīng)輸入已有的84坐標(biāo)，以保證84坐標(biāo)的一致性；流動(dòng)站比較靈活，可以直接到待定點(diǎn)上流動(dòng)觀測(cè)，也可以先到個(gè)別已知點(diǎn)或已測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行檢核測(cè)量，以核對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性。對(duì)于已經(jīng)布設(shè)GPS控制網(wǎng)的公路項(xiàng)目，一般都可以按此種作業(yè)方式進(jìn)行。

對(duì)于已知點(diǎn)僅具有80坐標(biāo)或54坐標(biāo)的公路項(xiàng)目，必須先測(cè)定已知點(diǎn)的84坐標(biāo)，為求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)所用。此時(shí)要求基準(zhǔn)站可以安置在已知點(diǎn)上，也可以安置在待定點(diǎn)上，甚至可以安置在臨時(shí)一點(diǎn)上，但都必須先進(jìn)行單點(diǎn)定位，測(cè)定基準(zhǔn)站的84坐標(biāo)，一般取10分鐘的觀測(cè)數(shù)據(jù)即可。而流動(dòng)站必須先到已知點(diǎn)進(jìn)行流動(dòng)觀測(cè)，獲取所有已知點(diǎn)的84坐標(biāo)，然后同樣在RTK系統(tǒng)內(nèi)通過(guò)公共點(diǎn)匹配求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。有了轉(zhuǎn)換參數(shù)就可以到待定點(diǎn)上依次觀測(cè)了。對(duì)于沒(méi)有布設(shè)GPS控制網(wǎng)的公路項(xiàng)目，一般都需要按此種作業(yè)方式進(jìn)行。

對(duì)于待定點(diǎn)只需要84坐標(biāo)的這一情形，此時(shí)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站直接采用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，而無(wú)需對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行處理。由于基準(zhǔn)站的安置都具有一定的可選性，因此應(yīng)盡可能的滿足以下幾方面的要求：(1)點(diǎn)位周圍沒(méi)有明顯的障礙物和電磁信號(hào)干擾物，以有利于衛(wèi)星信號(hào)的接收。(2)點(diǎn)位所在地地勢(shì)較高，最好是制高點(diǎn)上，以有利于數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送。(3)點(diǎn)位附近充電較方便，以確保基準(zhǔn)站連續(xù)用電的特殊需要。(4)點(diǎn)位相對(duì)于待測(cè)區(qū)域位置適中，有利于作業(yè)半徑的覆蓋。

3.2 不同坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

進(jìn)行RTK測(cè)量主要是充分利用它具有的快速定位和實(shí)時(shí)放樣兩大功能。在大多數(shù)情況下，只有點(diǎn)位放樣才真正需要實(shí)時(shí)測(cè)定，而快速定位并不都是需要實(shí)時(shí)提供坐標(biāo)，也就是說(shuō)可以通過(guò)后處理提供點(diǎn)位坐標(biāo)。因此在作業(yè)方式上我們完全可以根據(jù)公路項(xiàng)目對(duì)測(cè)量成果需求的緊迫程度，優(yōu)化設(shè)計(jì) RTK測(cè)量的作業(yè)方式，以達(dá)到盡可能縮短外業(yè)觀測(cè)時(shí)間，真正提高作業(yè)效率。

(1)在國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

所謂在國(guó)家1980或1954坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式。這種作業(yè)方式才是真正息義上的實(shí)時(shí)提供國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)下的點(diǎn)位坐標(biāo)，主要工作也都是外業(yè)完成。它要求測(cè)區(qū)具有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)或者能夠?qū)崟r(shí)求定轉(zhuǎn)換參數(shù)。該作業(yè)方式主要用于真正需要實(shí)時(shí)提供點(diǎn)位坐標(biāo)的公路項(xiàng)目如施工放樣等。

(2)在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式

WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式，是指RTK外業(yè)測(cè)量中無(wú)需考慮坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而直接實(shí)時(shí)提供84坐標(biāo)，通過(guò)內(nèi)業(yè)后處理提供國(guó)家坐標(biāo)的一種作業(yè)方式。這種作業(yè)方式的最大特點(diǎn)是:不必為求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)而必須提前進(jìn)行已知點(diǎn)聯(lián)測(cè)，而只需在測(cè)定待定點(diǎn)時(shí)順便聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)。尤其是對(duì)于線路較長(zhǎng)的公路RTK測(cè)量，無(wú)需實(shí)時(shí)提供國(guó)家坐標(biāo)時(shí)，按此作業(yè)方式可以大大減少外業(yè)工作量。

圖2 為某公路道路改造時(shí)RTK測(cè)量測(cè)量示意圖，路線全長(zhǎng)約70km，為了測(cè)繪1:2000帶狀地形圖，采用GPS RTK技術(shù)測(cè)定180個(gè)二級(jí)控制點(diǎn)。全線已有7個(gè)四等GPS控制點(diǎn)，坐標(biāo)成果屬于北京坐標(biāo)系，可作為RTK測(cè)量的起算點(diǎn)。但已知點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，平均點(diǎn)距約1Okm，如果采用在國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式，為了求定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，一方面流動(dòng)站要首先跑遍所有已知點(diǎn)，另一方面基準(zhǔn)站要顧及作業(yè)半徑，需要遷站2-3次，影響外業(yè)工作效率。為此，采取了在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下的RTK作業(yè)方式，54坐標(biāo)成果由內(nèi)業(yè)后處理提供。采用Leica GPS530系統(tǒng)進(jìn)行RTK觀測(cè)，選擇102,104,106為基準(zhǔn)站，作業(yè)半徑可達(dá)10km，其它已知點(diǎn)納入到星狀網(wǎng)聯(lián)測(cè)中。結(jié)果外業(yè)只用了3天，比其它作業(yè)方式節(jié)省1-2天，內(nèi)業(yè)僅增加1-2天，在不影響提交成果的前提下，大大減少了外業(yè)的測(cè)量經(jīng)費(fèi)，優(yōu)化

了RTK測(cè)量方案。

參考文獻(xiàn)

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