淺談 RTK在山區(qū)公路測(cè)量中的運(yùn)用與注意事項(xiàng)

唐健鴻

0 引言

隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的快速發(fā)展，RTK(Real Time Kinematic)測(cè)量技術(shù)也日益成熟，RTK測(cè)量技術(shù)逐步在測(cè)繪中得到應(yīng)用。RTK測(cè)量技術(shù)因其精度高、實(shí)時(shí)性和高效性，使得其在公路設(shè)計(jì)測(cè)繪中的應(yīng)用越來(lái)越廣。

1 未采用 RTK前測(cè)量工作的限制

山區(qū)公路外業(yè)測(cè)量在未普及RTK技術(shù)之前，采用全站儀、水平儀等光學(xué)測(cè)量?jī)x器測(cè)量，由于山區(qū)地形復(fù)雜，高差起伏大，叢林較多又密集，大霧天氣頻繁出現(xiàn)，對(duì)此類光學(xué)儀器會(huì)產(chǎn)生很大影響，不僅降低測(cè)量精度，更有甚者導(dǎo)致無(wú)法使用。由于山區(qū)公路布線是為了克服高差降低工程造價(jià)等原因，常選擇回頭曲線或者沿凹凸的山勢(shì)布線，若用全站儀等光學(xué)儀器實(shí)現(xiàn)通視需求，將把儀器架在離路線較遠(yuǎn)的山頭或無(wú)遮擋的高地，此舉會(huì)延誤外業(yè)測(cè)量的時(shí)間，增加外業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)。如選擇沿路線兩側(cè)較近位置轉(zhuǎn)站測(cè)量又會(huì)降低測(cè)量精度，增大誤差，導(dǎo)致測(cè)設(shè)結(jié)果不可使用。

2 GPS原理

2.1 GPS系統(tǒng)的組成

GPS由三個(gè)獨(dú)立的部分組成:

空間部分:21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。

地面支撐系統(tǒng):1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監(jiān)測(cè)站。

用戶設(shè)備部分:接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作。

GPS接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成。

2.2 GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖 1所示，假設(shè) t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定 GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間Δt，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式:

上述四個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo) x，y，z和 vt0為未知參數(shù)。

其中，di=cΔti(i=1，2，3，4)。

di(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星 1、衛(wèi)星 2、衛(wèi)星 3、衛(wèi)星 4到接收機(jī)之間的距離。

Δti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星 1、衛(wèi)星 2、衛(wèi)星 3、衛(wèi)星 4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。

c為 GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。

四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下:

x，y，z為待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。

vti(i=1，2，3，4)分別為衛(wèi)星 1、衛(wèi)星 2、衛(wèi)星 3、衛(wèi)星 4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。

vt0為接收機(jī)的鐘差。

由以上四個(gè)方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo) x，y，z和接收機(jī)的鐘差 vt0。由此可知測(cè)量時(shí)移動(dòng)站與基準(zhǔn)站必須同時(shí)接收共享至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)，即“看到”同樣的四顆衛(wèi)星。

目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于 10m，而為得到更高的定位精度，我們通常采用差分 GPS技術(shù):將一臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測(cè)。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行 GPS觀測(cè)的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。

3 RTK測(cè)量成果的質(zhì)量控制

常用的質(zhì)量控制方法主要是“已知點(diǎn)檢核比較法”——即在布測(cè)控制網(wǎng)時(shí)用靜態(tài) GPS或全站儀多測(cè)出一些控制點(diǎn)，然后用RTK測(cè)出這些控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核，用手簿中校核后的點(diǎn)建立坐標(biāo)系，用此坐標(biāo)系對(duì)測(cè)量、放樣的點(diǎn)坐標(biāo)校正，使其在同一坐標(biāo)系中進(jìn)行測(cè)量、放樣。

4 利用 RTK技術(shù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)

1)基準(zhǔn)站架設(shè)靈活，可隨意選擇空曠位置架設(shè)，原則是“對(duì)天通視，對(duì)移動(dòng)站信號(hào)通視”?？蓪?duì)半徑為 15 km的范圍進(jìn)行覆蓋，從而大大減少了傳統(tǒng)測(cè)量所需的控制點(diǎn)數(shù)量和測(cè)量?jī)x器的“搬站”次數(shù)，一人便可操作，作業(yè)速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，提高了勞動(dòng)效率。

2)定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠，沒(méi)有誤差積累。只要滿足RTK的基本工作條件和作業(yè)半徑范圍，其定位精度可達(dá) 1 cm～2 cm，即可滿足公路外業(yè)測(cè)量要的精度。

3)RTK作業(yè)自動(dòng)化、集成化程度高，測(cè)繪功能強(qiáng)大。隨著 RTK在公路測(cè)量中的廣泛運(yùn)用，很多廠商都開(kāi)發(fā)了針對(duì)公路測(cè)量的手簿軟件，無(wú)需人工干預(yù)RTK便可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種測(cè)繪功能，可勝任各種測(cè)繪內(nèi)、外業(yè)?？衫肦TK鋪設(shè)中樁邊樁，還能夠同時(shí)間測(cè)量各樁橫斷地面線，由于數(shù)據(jù)采用三軸坐標(biāo)記錄，可直接輸入CAD等制圖軟件內(nèi)，為內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)人員減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，使輔助測(cè)量工作極大減少，減少人為誤差，保證了作業(yè)精度，提高內(nèi)外業(yè)工作的效率。架設(shè)時(shí)由于要利用兩個(gè)或以上已知點(diǎn)或控制點(diǎn)與主機(jī)位置進(jìn)行點(diǎn)校正，為提高測(cè)設(shè)精度，宜將基準(zhǔn)站架設(shè)在與兩已知點(diǎn)成正三角形的位置。

4)操作簡(jiǎn)便，由于采用在手簿上的可視化測(cè)設(shè)可使測(cè)量人員在工作中就可發(fā)現(xiàn)誤操作等失誤，能讓測(cè)設(shè)人員快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決，在基準(zhǔn)站架設(shè)、移動(dòng)站操作、手簿軟件的使用方面也都比較簡(jiǎn)單易學(xué)。

5 RTK使用中的不足及其解決辦法

1)受衛(wèi)星狀況限制，在高山峽谷深處及密集森林區(qū)，衛(wèi)星信號(hào)被遮擋時(shí)間較長(zhǎng)，受天空環(huán)境影響，白天中午受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，使一天中可作業(yè)時(shí)間受限制。作業(yè)時(shí)間受限制可由選擇作業(yè)時(shí)間來(lái)解決，通過(guò)在該時(shí)段利用全站儀等光學(xué)儀器互補(bǔ)既不耽誤工作時(shí)間，又可合理運(yùn)用各種儀器的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到物盡其用的效果。2)數(shù)據(jù)鏈傳輸受干擾和限制、作業(yè)半徑比標(biāo)稱距離小的問(wèn)題。RTK數(shù)據(jù)傳輸采用中短波傳送信號(hào)，易受到障礙物如高大山體和各種高頻信號(hào)源的干擾，在傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重，影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。工程實(shí)踐和專門(mén)研究都證明了這一點(diǎn)。

解決這類問(wèn)題的有效辦法是把基準(zhǔn)站布設(shè)在路線穿過(guò)的隘口、盤(pán)山公路所在的半山腰或測(cè)區(qū)中央的最高點(diǎn)上，避開(kāi)無(wú)線電話基站和高壓電鐵塔，這樣操作，雖然有部分遮擋，但是傳送的信號(hào)可借助電磁波的衍射順利傳輸?shù)揭苿?dòng)站，利于手簿的快速解算，提高測(cè)設(shè)工作的效率。3)穩(wěn)定性問(wèn)題。RTK測(cè)量的穩(wěn)定性方面不及全站儀，這是由于 RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故。要在布控制點(diǎn)時(shí)多布置一些“多余”控制點(diǎn)，作為RTK測(cè)量成果質(zhì)量控制的檢核點(diǎn)。在實(shí)際操作中如遇叢林等有高大遮蔽物的地段，可利用RTK在通視的小區(qū)域天空無(wú)遮擋物的地域測(cè)設(shè)全站儀的轉(zhuǎn)點(diǎn)，這樣可以利用RTK同精度的優(yōu)點(diǎn)(無(wú)論轉(zhuǎn)多少次點(diǎn)都處在同一級(jí)精度)和全站儀的穩(wěn)定性，沿路線走向測(cè)設(shè)，前一組人利用 RTK選點(diǎn)布點(diǎn)，后一組人利用全站儀補(bǔ)點(diǎn)，可大大的提高工作效率。

綜上所述，RTK在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中有很多優(yōu)秀的方面，同時(shí)也有些技術(shù)限制，只有了解了它的劣勢(shì)所在，才能避其利害，把有益于實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)帶到工程應(yīng)用中來(lái)。

[1] GB/T 18314-2001，全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S].

[2] [美]Elliott D.Kap lan，Christopher J.Hegarty.GPS原理與應(yīng)用[Z].寇艷紅，譯.2008.

[3] 趙東晨.RTK技術(shù)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)劣簡(jiǎn)析[Z].2005.

[4] 李 華.淺談GPS技術(shù)在公路外業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用[J].山西建筑，2010，36(16):361-362.