GPS-RTK 技術(shù)在鐵路測量中的應(yīng)用與研究

郎咸龍

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，中國 天津300222）

1 GPS-RTK 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

GPS-RTK（載波相位差分技術(shù)）是一種實時動態(tài)定位技術(shù)，是GPS全球定位系統(tǒng)在工程測量方面的一項重大突破。 高精度的RTK 技術(shù)在高速鐵路測繪工作中的應(yīng)用，極大地提高了測繪工作的準(zhǔn)確性和時效性。從第一顆人造地球衛(wèi)星SPUTNIK-1 發(fā)射成功，空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個嶄新的時，隨著人造地球衛(wèi)星的不斷入軌運(yùn)行，利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行定位測量已成為現(xiàn)實。 20 世紀(jì)60 年代衛(wèi)星定位技術(shù)的成功問世， 使得利用人造地球衛(wèi)星解決大地測量問題成為現(xiàn)實。30 多年間，GPS 的不斷發(fā)展給大地測量工作帶來了革命性的變化。 其不斷提到的定位精度也為實際測繪工作提供了極大地便利；GPSRTK 技術(shù)在鐵路測量中的應(yīng)用，大大加快了高速鐵路中的測繪工作。

2 GPS-RTK 基本原理

基本原理： 在基準(zhǔn)站安置一臺GPS 接收機(jī)， 對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并通過無線電傳輸設(shè)備實時將觀測數(shù)據(jù)及站坐標(biāo)信息傳送給用戶站；用戶站一方面通過接受機(jī)接收GPS 衛(wèi)星信號，同時還通過無線電接收設(shè)備接收基準(zhǔn)站傳送的觀測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位原理，實時地處理數(shù)據(jù)，并實時地以厘米級的精度給出用戶站的三維坐標(biāo)。 未知點(diǎn)三維坐標(biāo)的基本求解公式如下：

X p = X ′p + ΔX + d(ΔX) / dt(t-t0)

Yp = Yp′ + ΔY + d(ΔY) / dt(t-t0)

Zp = Z ′p + ΔZ + d(ΔZ) / dt(t-t0)

利用這種差分技術(shù)，可以有效地消弱電離層誤差、對流層誤差，大大提高測量精度，現(xiàn)今的實時定位差分技術(shù)可達(dá)到厘米級。

3 GPS-RTK 技術(shù)在鐵路測量中的應(yīng)用

目前， 隨著各國通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，GPS-RTK 技術(shù)不斷地完善， 精度在不斷地提高GPS-RTK 技術(shù)較常規(guī)控制測量技術(shù)相比，具有精度高、快速定位、靈活高效等優(yōu)點(diǎn)，因此，運(yùn)用該技術(shù)及相關(guān)測繪軟件進(jìn)行數(shù)字化測繪是解決當(dāng)前問題的有效方法。

3.1 GPS 控制測量

GPS 控制測量，按其工作性質(zhì)可分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩大部分，外業(yè)工作主要包括：選點(diǎn)、建立測站標(biāo)志、埋石、野外觀測作業(yè)以及成果質(zhì)量檢核等；內(nèi)業(yè)工作主要包括：技術(shù)設(shè)計、測后數(shù)據(jù)處理以及技術(shù)總結(jié)等。按照GPS 測量實施的工作程序，大體分為幾個階段:GPS 控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，選點(diǎn)與埋石，外業(yè)觀測，成果檢核，數(shù)據(jù)處理，編制報告。

控制點(diǎn)的位置及網(wǎng)形可在1：1～5 萬比例尺的國家基本圖上進(jìn)行設(shè)計。 以往對三角網(wǎng)和測邊網(wǎng)作圖上設(shè)計是十分繁瑣的，既要保證相鄰點(diǎn)間互為通視，又要考慮圖形結(jié)構(gòu)良好，對每個三角形的內(nèi)角大小均有限制，除了搶占制高點(diǎn)外，有時還須借助于建立高標(biāo)。對于觀測方向較多的中點(diǎn)多邊形的中點(diǎn)位置更是難以確定。當(dāng)然，對于面積較小、邊長較短的精密邊角控制網(wǎng)，相對說來解決通視問題就容易些。

GPS 網(wǎng)點(diǎn)并不以點(diǎn)間通視為必要條件，點(diǎn)位的選定有很大的靈活性，可以先按需要選定點(diǎn)位，再來組織網(wǎng)形，為便于觀測和使用，GPS點(diǎn)選在交通方便容易到達(dá)的地方，盡量避免在山頂和河邊設(shè)點(diǎn)。 圖上設(shè)計的僅是概略的點(diǎn)位，在實地選點(diǎn)時可在圖上初選點(diǎn)的附近選定合適的點(diǎn)位，以滿足GPS 測量對點(diǎn)位的要求。擬作為GPS 網(wǎng)的位置基準(zhǔn)及方位基準(zhǔn)的已有控制網(wǎng)的起始點(diǎn)及起始方位角的兩端點(diǎn)必須選作GPS 點(diǎn)，設(shè)計的點(diǎn)位中應(yīng)盡可能多地包括一些符合條件的已有控制網(wǎng)點(diǎn)（城市或工程控制網(wǎng)點(diǎn)及國家網(wǎng)點(diǎn)）。這樣不僅可以充分利用已有的標(biāo)石，更可獲知GPS 網(wǎng)與原有控制網(wǎng)在同名點(diǎn)上的坐標(biāo)差異，并可以進(jìn)行坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。 與此同時，在選點(diǎn)過程中應(yīng)按所需的密度來進(jìn)行布點(diǎn)。

3.2 GPS-RTK 路線放樣

GPS-RTK 具有多種放樣功能， 在路線中線放樣中最常用的是放樣點(diǎn)的平面位置。 設(shè)置好基準(zhǔn)站和流動站以后，在主菜單下進(jìn)入放樣功能，選擇點(diǎn)放樣界面，輸入放樣點(diǎn)點(diǎn)號，單擊解算按鈕，進(jìn)入解算界面，顯示放樣點(diǎn)信息，并計算出導(dǎo)航數(shù)據(jù)，將放樣帶你的位置顯示在導(dǎo)航圖中央。 單擊放樣進(jìn)行放樣測量，通過RTK-GPS 方式測量出RTK天線在地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 并顯示出當(dāng)前RTK 天線位置與放樣點(diǎn)的實際位置重合時，即得到放樣點(diǎn)的位置。 中線放樣的方法：

（1）坐標(biāo)引數(shù)法。 即預(yù)先知道公路中線待放樣帶你P 的坐標(biāo)（XP,YP）.GPS 實地放樣時，只要測點(diǎn)G（XG,YG）逼近P（XP,YP），在一定限差范圍內(nèi)，則認(rèn)為P 點(diǎn)已放樣完畢。

（2）樁號引數(shù)法。 即預(yù)先知道公路中線待放樣點(diǎn)P 的里程樁號位Lp,也就知道了點(diǎn)P 的坐標(biāo)（XP,YP）。 因此，樁號引數(shù)法其實際等同于坐標(biāo)引數(shù)法。而對于任意加樁，如果采用上述2 種方法來進(jìn)行時，則可能會出現(xiàn)令人尷尬的現(xiàn)象，如水溝加樁不在溝心、水網(wǎng)區(qū)加樁落入水中等等。 為此，必須尋求其他更合理、有效的方法。

（3）測點(diǎn)引數(shù)法。以測點(diǎn)為引數(shù)可以采用“法線方向法”，通過測點(diǎn)向路線中線做垂線，求出垂足點(diǎn)的坐標(biāo)；也可以采用“任意方向法”通過兩測點(diǎn)確定的直線與路線中線的交點(diǎn)，求得交點(diǎn)的坐標(biāo)無論采用何種方法，其關(guān)鍵是推求待放樣點(diǎn)P 的坐標(biāo)，然后按坐標(biāo)（樁號）引數(shù)法進(jìn)行處理。

4 GPS-RTK 技術(shù)在鐵路測量中的應(yīng)用前景

高速鐵路已成為我國振興交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)科技強(qiáng)國、推動區(qū)域及社會經(jīng)濟(jì)全面快速協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑；中國高鐵的速度、技術(shù)及規(guī)模已經(jīng)引領(lǐng)世界。 高精度的GPS-RTK 技術(shù)在國家鐵路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中起到了重大作用，為現(xiàn)代鐵路的測設(shè)、修建、維護(hù)提供了極大的方便，大大提高了測量的準(zhǔn)確性和時效性。 其可利用載波相位觀測和數(shù)據(jù)處理軟件的結(jié)合，實時解算出觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，其精度可達(dá)到厘米級。 RTK 的實時解算能力決定了其極高的靈活性，使其在工程測量、導(dǎo)航制導(dǎo)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等方面得到了廣泛應(yīng)用，是我國GNSS 發(fā)展進(jìn)程中擴(kuò)展的一項重要技術(shù)。

5 結(jié)語

鐵路伴同人類交通出行而產(chǎn)生， 極大地促進(jìn)了社會的進(jìn)步和發(fā)展，是一個國家科學(xué)進(jìn)步和現(xiàn)代化進(jìn)程的標(biāo)志。因此，世界各國都加大國家鐵路網(wǎng)的修建進(jìn)程。 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國的鐵路建設(shè)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇， 這就對勘測設(shè)計提出了更高的要求，隨著鐵路設(shè)計行業(yè)軟件技術(shù)和硬件設(shè)備的發(fā)展，鐵路從設(shè)計到管理將實現(xiàn)數(shù)字化；建立勘測、設(shè)計、施工、后期管理一體化的數(shù)據(jù)鏈；減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄、輸入等中間環(huán)節(jié)，會成為鐵路勘測設(shè)計的發(fā)展要求。

［1］何華武.無碴軌道技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

［2］朱穎.客運(yùn)專線無砟軌道鐵路工程測量技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］曲衛(wèi)東.土地信息系統(tǒng)[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2009.

［4］曾若飛，袁玫.高速鐵路對測繪裝備的需求展望[C]//北京：中國測繪學(xué)會2010 年年會論文集.