多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)在城市道路工程測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)踐

楊明光，張想平

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州 730030）

一、引 言

在現(xiàn)代測(cè)量中，RTK技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在城市道路工程測(cè)量方面。由于該技術(shù)具有點(diǎn)與點(diǎn)之間不需要通視，可大幅度提高工作效率、節(jié)省成本和勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，在一、二、三級(jí)平面控制及圖根控制測(cè)量、碎部測(cè)量、道路中線放樣等方面得到了廣泛的應(yīng)用。然而在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)代通信和電力設(shè)施、林立的高樓、強(qiáng)反射性材料等外部因素的影響，使得RTK作業(yè)受到一定的影響，尤其在城市密集的高樓區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，主要表現(xiàn)在:①由于現(xiàn)在大多數(shù)GPS接收機(jī)使用內(nèi)置接收、發(fā)射電臺(tái)，發(fā)射電臺(tái)功率小，數(shù)據(jù)鏈傳輸不穩(wěn)健，基準(zhǔn)站距離流動(dòng)站稍遠(yuǎn)，流動(dòng)站就無(wú)法獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)站傳輸信號(hào)或無(wú)法獲取公共衛(wèi)星；②受多路徑效應(yīng)等因素的干擾，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法獲得固定解；③ 視空高度角大，無(wú)法接收到足夠的衛(wèi)星或衛(wèi)星失鎖等。近幾年發(fā)展起來(lái)的多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)能夠彌補(bǔ)常規(guī)RTK技術(shù)的這些缺點(diǎn)，與其相比，多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)能夠在城市道路工程測(cè)量中發(fā)揮出更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

二、多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)

1.多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)的定義和工作原理

所謂多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)，就是指在一定區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)基準(zhǔn)站，對(duì)該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測(cè)，通過(guò)這些站點(diǎn)組成衛(wèi)星定位觀測(cè)值的網(wǎng)絡(luò)解算，獲取覆蓋該地區(qū)和某時(shí)間段的RTK改正參數(shù)，并用于該區(qū)域內(nèi)RTK用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)RTK改正的定位方式。

從多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)的定義可以看出，多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)改變了傳統(tǒng)單基準(zhǔn)站RTK測(cè)量中由流動(dòng)站接收基準(zhǔn)站信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)插定位的模式。其首先由通信網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)中心發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，并將流動(dòng)站的概略位置傳給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心通過(guò)組合離流動(dòng)站最近的3個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)之間的觀測(cè)數(shù)據(jù)和誤差模型等信息，然后生成一個(gè)作業(yè)區(qū)域內(nèi)的虛擬基準(zhǔn)站，虛擬基準(zhǔn)站則將其改正數(shù)信息發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站再結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精確地解算出其位置坐標(biāo)和精度指標(biāo)。由于該技術(shù)利用通信技術(shù)手段重新將基準(zhǔn)站載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)和流動(dòng)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，并進(jìn)行整周模糊度解算，消除了絕大部分的誤差，因而其測(cè)繪成果更精確，工作效率更高。

2.多基準(zhǔn)站技術(shù)類(lèi)型

其實(shí)多基準(zhǔn)站技術(shù)不僅應(yīng)用在RTK技術(shù)中，在靜態(tài)測(cè)量中也有較為廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)實(shí)踐中，多基準(zhǔn)站技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用類(lèi)型:

1）快速靜態(tài)多基準(zhǔn)站模式。就是將若干臺(tái)GPS接收機(jī)在一段時(shí)間里持續(xù)固定在某幾個(gè)固定點(diǎn)上作為基準(zhǔn)站進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，另外幾臺(tái)接收機(jī)作為流動(dòng)站在基準(zhǔn)站周?chē)接^測(cè)的作業(yè)模式。由于這種作業(yè)模式在各個(gè)基準(zhǔn)站之間進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的同步觀測(cè)，網(wǎng)結(jié)構(gòu)幾何圖形強(qiáng)度好，獲得的觀測(cè)成果精度更高。

2）簡(jiǎn)單的RTK雙基準(zhǔn)站模式。該模式就是在測(cè)區(qū)周?chē)容^開(kāi)闊、信號(hào)好、地勢(shì)高的兩個(gè)已知點(diǎn)上分別設(shè)置基準(zhǔn)站，作業(yè)時(shí)打開(kāi)電子手簿中設(shè)置基準(zhǔn)站的菜單，選擇多基準(zhǔn)站選擇框和基準(zhǔn)站編號(hào)、延遲時(shí)間，分別在各個(gè)已知點(diǎn)上設(shè)置基準(zhǔn)站，然后在流動(dòng)站開(kāi)始開(kāi)展作業(yè)的測(cè)量模式。

3）連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（CORS）。如果構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)的每臺(tái)接收機(jī)是由CORS基站組成，GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈由公共無(wú)線通信網(wǎng)技術(shù)傳輸，則這樣的多基準(zhǔn)站技術(shù)即為CORS技術(shù)。CORS技術(shù)由若干個(gè)連續(xù)運(yùn)行的GPS基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)處理控制中心、數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)射系統(tǒng)和流動(dòng)站組成，是當(dāng)前多基準(zhǔn)站技術(shù)的主要模式，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、測(cè)量、國(guó)土資源調(diào)查、氣象預(yù)報(bào)、水運(yùn)工程測(cè)量、疏浚定位、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)和應(yīng)急處理等各個(gè)領(lǐng)域。

三、應(yīng)用實(shí)例

1.簡(jiǎn)單的RTK雙基準(zhǔn)站模式

某工程是2009年度蘭州市政府的重點(diǎn)建設(shè)工程，線路總長(zhǎng)22.55 km，大多數(shù)測(cè)段處于高樓林立的城市中心，可視衛(wèi)星較少，采用傳統(tǒng)的單基準(zhǔn)站RTK技術(shù)，有時(shí)候長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法獲得固定解，給道路定測(cè)帶來(lái)了很大的困難。為此，采用TOPCON公司生產(chǎn)的Hiper Gb系列GPS接收機(jī)，采用簡(jiǎn)單的RTK雙基準(zhǔn)站作業(yè)模式，作業(yè)時(shí)打開(kāi)電子手簿中設(shè)置基準(zhǔn)站的菜單，選擇多基準(zhǔn)站選擇框和基準(zhǔn)站編號(hào)、延遲時(shí)間，分別在兩個(gè)已知點(diǎn)上設(shè)置基準(zhǔn)站，然后將另外幾臺(tái)接收機(jī)設(shè)置為流動(dòng)站，在測(cè)區(qū)周?chē)M(jìn)行作業(yè)。在該模式中，GPS電子手簿充當(dāng)了數(shù)據(jù)處理中心，由于兩臺(tái)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站之間形成了簡(jiǎn)單的RTK技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，基準(zhǔn)站之間形成了固定基線，兩臺(tái)基準(zhǔn)站同時(shí)向流動(dòng)站傳輸信號(hào)，數(shù)據(jù)鏈傳輸相對(duì)更穩(wěn)定，數(shù)據(jù)解算時(shí)即可以擇優(yōu)進(jìn)行內(nèi)插解算，也可以雙向內(nèi)插解算，形成疊加效應(yīng)，因而流動(dòng)站可以在測(cè)點(diǎn)位置信號(hào)不好的地方照樣能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位。通過(guò)在已知點(diǎn)的檢核中發(fā)現(xiàn)，已知點(diǎn)平面最大較差為13 mm，高程最大較差為21 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范中“在控制點(diǎn)上檢核，平面位置較差不應(yīng)大于5 cm”的技術(shù)規(guī)定，測(cè)量成果精度高，工作效率也得到了大幅提升。

2.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（CORS）

蘭州新區(qū)是蘭州市政府為了加快發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“再造蘭州”戰(zhàn)略而決定進(jìn)行大力開(kāi)發(fā)并于2012年8月升級(jí)為第5個(gè)國(guó)家級(jí)的新區(qū)。從2010年9月開(kāi)始，為了改善招商引資環(huán)境，加快新區(qū)建設(shè)步伐，緯一路、緯三路、蘭秦快速路等一批道路和橋梁工程相繼開(kāi)工建設(shè)，道路總長(zhǎng)69 km，沿途架設(shè)各類(lèi)橋梁和涵洞39座，總投資85億元左右。該地區(qū)離蘭州主城區(qū)約70 km，基礎(chǔ)測(cè)繪資料幾乎為零，如果采用常規(guī)的RTK技術(shù)或采用布設(shè)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)并進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，不僅耗時(shí)耗力，而且測(cè)繪成果精度難以保證，工期不允許。蘭州市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)是為進(jìn)行數(shù)字蘭州建設(shè)而實(shí)施的重要的基礎(chǔ)地理空間框架服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和現(xiàn)代地球重力場(chǎng)技術(shù)，將大地測(cè)量基準(zhǔn)與高程基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建具有空間位置和高程等屬性為一體的統(tǒng)一、高精度、實(shí)時(shí)的現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系，參考基站系統(tǒng)范圍覆蓋整個(gè)蘭州市域，該系統(tǒng)的建成，極大地提升了整個(gè)蘭州地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的測(cè)繪保障服務(wù)能力，對(duì)城鄉(xiāng)規(guī)劃的信息化、精細(xì)化起到積極的促進(jìn)作用。通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，在不到兩天的時(shí)間里，在整個(gè)蘭州新區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)D級(jí)以上GPS控制點(diǎn)12個(gè)，同時(shí)由于進(jìn)行了水準(zhǔn)成果精化，使得這12個(gè)控制點(diǎn)的GPS高程達(dá)到四等水準(zhǔn)以上的要求，基本上滿足了該地區(qū)進(jìn)行道路橋梁工程測(cè)量的需要。

通過(guò)GPS方面的各種測(cè)量規(guī)范和長(zhǎng)期的GPS數(shù)據(jù)平差處理的經(jīng)驗(yàn)可知，在二維約束平差的報(bào)表中，相鄰點(diǎn)基線坐標(biāo)分量改正數(shù)ΔX、ΔY的大小是反映已知起算數(shù)據(jù)精度的重要指標(biāo)之一。《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）中明確規(guī)定，相鄰點(diǎn)基線水平坐標(biāo)分量改正數(shù)不超過(guò)10 mm，垂直坐標(biāo)分量改正數(shù)不超過(guò)20 mm。為了檢驗(yàn)以上12個(gè)控制點(diǎn)的成果精度，在以后許多工程項(xiàng)目的靜態(tài)GPS控制測(cè)量中首先選用這12個(gè)點(diǎn)中的部分點(diǎn)作為已知起算數(shù)據(jù)，將其二維約束平差的報(bào)表中相鄰點(diǎn)基線坐標(biāo)分量作為衡量這12個(gè)點(diǎn)的精度指標(biāo)，其精度指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測(cè)量規(guī)范中相應(yīng)等級(jí)GPS控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)的精度要求。

表1為在某大道工程GPS數(shù)據(jù)平差處理中二維約束平差報(bào)表相鄰點(diǎn)基線坐標(biāo)分量改正數(shù)ΔX、ΔY的精度指標(biāo)。

表1 大道二維約束平差報(bào)表相鄰點(diǎn)基線坐標(biāo)分量改正數(shù)值

續(xù)表1

從表1可以看出，相鄰點(diǎn)基線坐標(biāo)分量改正數(shù)ΔX、ΔY的精度指標(biāo)基本達(dá)到了C級(jí)要求（平面坐標(biāo)分量不大于10 mm）。

通過(guò)連續(xù)觀測(cè)基站（CORS技術(shù)）在道路測(cè)量中的應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，同以往靜態(tài)GPS控制測(cè)量相比，CORS技術(shù)突出了以下幾個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì):

1）擴(kuò)大了流動(dòng)站與基準(zhǔn)站的作業(yè)距離（可達(dá)到70 km）。

2）對(duì)于CORS網(wǎng)絡(luò)，用戶無(wú)需架設(shè)自己的基準(zhǔn)站，費(fèi)用可大幅度降低。

3）提高了作業(yè)效率，由于CORS技術(shù)不需要同步觀測(cè)，同時(shí)不需要進(jìn)行四等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，提高作業(yè)效率達(dá)30%以上。

4）提高了定位的可靠性，確保了定位質(zhì)量，測(cè)量成果精度高。

四、結(jié)束語(yǔ)

多基準(zhǔn)站RTK技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用代表了GPS技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。目前，我國(guó)已在全國(guó)大部分省會(huì)城市建立了CORS系統(tǒng)，其中蘭州市的CORS系統(tǒng)涵蓋了整個(gè)蘭州市域，并成功通過(guò)了國(guó)家有關(guān)部門(mén)的技術(shù)驗(yàn)收。作為測(cè)繪工程技術(shù)人員，應(yīng)站在科技發(fā)展的前沿高度，充分認(rèn)識(shí)到多基站技術(shù)在蘭州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尤其是蘭州新區(qū)建設(shè)中發(fā)揮的無(wú)可替代的作用，不斷探索經(jīng)驗(yàn)，將這項(xiàng)測(cè)繪高新技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域，為蘭州的城市建設(shè)貢獻(xiàn)更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 楊元喜.自適應(yīng)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位［M］.北京:測(cè)繪出版社，2006.

［2］ 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法［M］.2版.北京:科學(xué)出版社，2003.

［3］ 國(guó)家測(cè)繪地理信息局職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心.測(cè)繪綜合能力（注冊(cè)測(cè)繪師輔導(dǎo)教材）［M］.北京:測(cè)繪出版社，2009.

［4］ 徐紹銓?zhuān)瑥埲A海，楊志強(qiáng).GPS測(cè)量原理及應(yīng)用［M］.3版.武漢:武漢大學(xué)出版社，2008.

［5］ 田青文.測(cè)量學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1995.