RTK技術(shù)在鐵路工程測(cè)量中的應(yīng)用

姚源嘉

南昌鐵路天河測(cè)量技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330002

現(xiàn)階段，全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK技術(shù)憑借自身多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，在測(cè)量工作中得到了普遍應(yīng)用，項(xiàng)目實(shí)踐精度有效提升。鐵路測(cè)量工程包含多項(xiàng)細(xì)碎化測(cè)量?jī)?nèi)容，精準(zhǔn)度要求較高，將RTK技術(shù)應(yīng)用于鐵路測(cè)量，可有效保證測(cè)量精度可靠性，促進(jìn)鐵路測(cè)量工作的持續(xù)性發(fā)展。

1 鐵路工程測(cè)量中RTK技術(shù)的原理

傳統(tǒng)測(cè)量方式均需通過(guò)事后解算獲取厘米級(jí)精度，而RTK作為一種新型GPS測(cè)量方式，可野外實(shí)時(shí)獲取厘米級(jí)定位精度，依托載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，是GPS應(yīng)用里程碑標(biāo)志，該技術(shù)的興起為工程放樣、地形測(cè)圖等提供了新的方向，提高了測(cè)量效率。RTK技術(shù)主要是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位層面上，實(shí)時(shí)輸送觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，并保證測(cè)量精度實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)。通常RTK測(cè)量系統(tǒng)由三大模塊構(gòu)成，即GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和實(shí)施動(dòng)態(tài)測(cè)量軟件。RTK技術(shù)工作原理是，將一臺(tái)接收機(jī)安設(shè)于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)或其他幾臺(tái)布設(shè)于流動(dòng)站上，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站處于相同時(shí)間，獲取同一衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將測(cè)量載波相位觀測(cè)數(shù)值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)等數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸至流動(dòng)站，流動(dòng)站及時(shí)收取基準(zhǔn)站傳輸信息，對(duì)載波相位觀測(cè)值進(jìn)行差分，最終獲取基準(zhǔn)站和流動(dòng)站基線向量，然后通過(guò)基線向量與基準(zhǔn)站坐標(biāo)之和，獲取流動(dòng)站各個(gè)坐標(biāo)值，最終通過(guò)轉(zhuǎn)換明確流動(dòng)站坐標(biāo)值[1]。

基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的相互關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在，基準(zhǔn)站計(jì)算調(diào)整之后將數(shù)據(jù)輸送至流動(dòng)站，該過(guò)程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)主要借助于數(shù)據(jù)鏈，單基站RTK數(shù)據(jù)鏈由兩部分構(gòu)成，即調(diào)制調(diào)器、電臺(tái)。其中，前者的核心目標(biāo)是將改正數(shù)進(jìn)行編碼和調(diào)制，之后輸送至電臺(tái)中發(fā)射，流動(dòng)站及時(shí)接收其相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解調(diào)之后傳輸至GPS接收機(jī)進(jìn)行改正；后者是將調(diào)整之后的數(shù)據(jù)以電磁波形式輻射，可在特定范圍內(nèi)提供信號(hào)，保證流動(dòng)站接收信息的可靠性。

用戶站發(fā)送和接收差分改正、原始數(shù)據(jù)觀測(cè)等，可選用多種方式實(shí)現(xiàn)，RTK地面通信鏈依附于業(yè)余無(wú)線電、蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字集群系統(tǒng)等，其傳輸速率不一。衛(wèi)星定位靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中，核心目標(biāo)是基線向量的求解，因此計(jì)算程序布設(shè)是通過(guò)三差確定相似基線長(zhǎng)度，通過(guò)浮動(dòng)雙差法解除相位模糊度及基線矢量，待相位模糊度湊整之后，極端固定雙差，最終解出基線向量。衛(wèi)星定位動(dòng)態(tài)應(yīng)用中，RTK數(shù)據(jù)處理屬于單基線處理過(guò)程，選取基準(zhǔn)站和流動(dòng)站載波相位觀測(cè)差分?jǐn)?shù)，組合新的載波相位，其中將流動(dòng)站未知坐標(biāo)視為隨機(jī)參數(shù)，載波相位整周模糊度是非隨機(jī)參數(shù)進(jìn)行求解。

2 鐵路工程測(cè)量中RTK技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 RTK技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）RTK作業(yè)自動(dòng)化、集成程度高，測(cè)繪功能優(yōu)良。RTK技術(shù)可應(yīng)用的測(cè)繪領(lǐng)域范圍較廣，滿足測(cè)繪內(nèi)、外作業(yè)測(cè)量要求，流動(dòng)站內(nèi)使用內(nèi)裝式軟件，可自行實(shí)施各類(lèi)測(cè)量功能，無(wú)須人工干預(yù)，能將專(zhuān)業(yè)人員從煩瑣復(fù)雜的工作中解脫出來(lái)，減小由于人為操作形成的誤差，進(jìn)而提升測(cè)量作業(yè)精準(zhǔn)度。（2）降低作業(yè)條件。RTK技術(shù)僅要求滿足兩點(diǎn)間對(duì)天基本通視、電磁波通視即可，在光學(xué)通視上并無(wú)過(guò)高要求。因此，與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相較，RTK技術(shù)實(shí)施受外界影響因素干擾較少，如通視條件、氣候等，有效突破了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性。基于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)層面，在地形復(fù)雜、障礙物較多的難通視區(qū)域內(nèi)，僅需滿足RTK技術(shù)應(yīng)用基本條件，便可實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度的測(cè)量作業(yè)。（3）定位精度高、數(shù)據(jù)安全可靠，不會(huì)產(chǎn)生誤差積累。以全站儀為代表的測(cè)量?jī)x器經(jīng)過(guò)多次搬動(dòng)移動(dòng)之后，均不同程度存在誤差累積，移動(dòng)次數(shù)與累積誤差成正相關(guān)；而RTK并不會(huì)產(chǎn)生此類(lèi)作業(yè)瓶頸，只要滿足RTK基本工作條件，處于作業(yè)半徑范圍內(nèi)，RTK技術(shù)測(cè)量的平面和高程精度可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)別。（4）測(cè)量作業(yè)效率高。在一般地形條件下，高質(zhì)量的RTK測(cè)設(shè)站可一次性測(cè)量半徑為10km的測(cè)區(qū)，有效減少傳統(tǒng)測(cè)量方式下需布設(shè)多個(gè)控制測(cè)量點(diǎn)和搬運(yùn)儀器的問(wèn)題，僅需一人便可完成測(cè)量操作。一般電磁波環(huán)境下獲取一個(gè)具體點(diǎn)位實(shí)際坐標(biāo)，僅需幾秒鐘便可完成，作業(yè)速率較快，勞動(dòng)強(qiáng)度較低，能在加快測(cè)量速率的基礎(chǔ)上，降低測(cè)量成本支出。（5）操作便捷、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。測(cè)繪RTK基準(zhǔn)站無(wú)需進(jìn)行任何布設(shè)，移動(dòng)站可移動(dòng)獲取測(cè)量結(jié)果，數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)及處理能力強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)與計(jì)算機(jī)連接，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，另外，測(cè)繪軟件使用知識(shí)及流程簡(jiǎn)單易掌握[2]。

2.2 RTK技術(shù)缺點(diǎn)

即便RTK技術(shù)擁有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但其在鐵路測(cè)量工程上的實(shí)踐表明仍存在以下不足。

（1）受衛(wèi)星狀況限制。隨著用戶實(shí)際需求的日漸提高，GPS衛(wèi)星空間構(gòu)成和衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度均難以滿足實(shí)際所需。譬如在中、低緯度地區(qū)存在兩次盲區(qū)，一般每次持續(xù)時(shí)間在20～30min，處于盲區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，RTK測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)固定解，以及在信號(hào)強(qiáng)度較弱，對(duì)空遮擋較為嚴(yán)重的區(qū)域，GPS無(wú)法正常工作。（2）受電離層影響。通常在白天中午時(shí)間段，受電離層干擾較大，共用衛(wèi)星數(shù)量較少，因而初始化時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。根據(jù)實(shí)際調(diào)研測(cè)量，每天12：00—13：00，RTK測(cè)量難以獲取固定解。（3）受數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸距離干擾。數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，易受外界環(huán)境干擾，如建筑物等，導(dǎo)致外業(yè)精度及測(cè)量范圍不準(zhǔn)確。此外，RTK實(shí)際測(cè)量作業(yè)超出特定距離時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)超限，因此RTK實(shí)際作業(yè)半徑小于有效半徑。（4）受高程異常問(wèn)題影響。RTK測(cè)量工作模式要求高程轉(zhuǎn)換應(yīng)具備良好的精確性，我國(guó)部分區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)換存在一定誤差，精度分布缺乏均勻性，最終影響RTK高程測(cè)量的精度。

3 RTK技術(shù)在鐵路工程測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 基站設(shè)備

依照鐵路工程測(cè)量相關(guān)規(guī)定，工程路線周?chē)鷳?yīng)布設(shè)超過(guò)18個(gè)控制點(diǎn)，并將其作為GPS基準(zhǔn)站。布設(shè)平面控制點(diǎn)時(shí)，建議以C級(jí)靜態(tài)相對(duì)測(cè)量精度為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)量，GPS接收機(jī)通過(guò)不斷切換模式，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)GPS切換功能，并將三等精度作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)的高程。

3.2 確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

鐵路工程測(cè)量具有一定的復(fù)雜性，利用傳統(tǒng)測(cè)量方式難以滿足測(cè)量精確度較高的要求。因此，應(yīng)用RTK測(cè)量技術(shù)，聯(lián)合與之匹配的各類(lèi)儀器進(jìn)行測(cè)量，在確定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的過(guò)程中，可通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：第一，在鐵路工程測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)使用。實(shí)際測(cè)量中需從原有平面控制點(diǎn)中選取3個(gè)具有高程的控制點(diǎn)，并將相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)輸送至測(cè)量控制器內(nèi)部，之后逐項(xiàng)對(duì)每個(gè)控制點(diǎn)以5min為時(shí)間間隔進(jìn)行定位測(cè)量，待全部完成之后，通過(guò)內(nèi)部控制器軟件自行生成相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。選用此種方式，可保證參數(shù)轉(zhuǎn)換的可靠性，但需耗損較長(zhǎng)時(shí)間，在鐵路工程測(cè)量中應(yīng)用的可行性較低。第二，利用點(diǎn)校正方式存留轉(zhuǎn)換參數(shù)。實(shí)際測(cè)量過(guò)程中需特別注意的是，無(wú)須每次逐個(gè)調(diào)整控制點(diǎn)。該方式不僅可保證參數(shù)計(jì)算的精準(zhǔn)度，而且計(jì)算速率較快，可滿足鐵路工程測(cè)量的實(shí)際要求[3]。

4 使用RTK技術(shù)進(jìn)行分項(xiàng)測(cè)量

4.1 普通控制測(cè)量

實(shí)際鐵路項(xiàng)目測(cè)量過(guò)程中，充分應(yīng)用RTK技術(shù)先進(jìn)性，對(duì)已知路控制點(diǎn)以及利用相對(duì)靜態(tài)加密的控制點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全周期實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間控制在3～5min。為保證全站儀滿足鐵路工程測(cè)量實(shí)際要求，應(yīng)加密部分測(cè)設(shè)控制點(diǎn)。

4.2 定線與放樣

鐵路工程測(cè)量過(guò)程中，在放樣與定線之前，應(yīng)將線路輸入相關(guān)細(xì)節(jié)錄入相關(guān)控制器內(nèi)，并在此基礎(chǔ)上自行生成相應(yīng)的線路圖，如此可保證實(shí)際作業(yè)中控制器實(shí)時(shí)對(duì)其工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此明晰觀測(cè)點(diǎn)內(nèi)實(shí)際歷程及偏移距離，為放樣和定線提供基礎(chǔ)保障。

4.3 對(duì)地形進(jìn)行測(cè)繪

利用RTK技術(shù)對(duì)地形進(jìn)行測(cè)繪的過(guò)程中，為進(jìn)一步提高測(cè)量工作的實(shí)際效率，可選用多小組同時(shí)測(cè)量方式。然而，鐵路工程部分測(cè)量區(qū)域地形較為復(fù)雜，會(huì)對(duì)GPS信號(hào)造成一定的干擾，影響最終地形測(cè)繪成效。因此，為解決上述測(cè)量瓶頸問(wèn)題，可選用全站儀和RTK技術(shù)聯(lián)合的方式解決復(fù)雜條件下的地形測(cè)繪問(wèn)題。

4.4 橫斷面與縱斷面測(cè)量

通常鐵路工程測(cè)量中包含多個(gè)復(fù)雜項(xiàng)，均需測(cè)量，如隧道、橋梁以及路基等，且此類(lèi)工程測(cè)量精度要求較高，在施工時(shí)間緊張的條件下，會(huì)增加測(cè)量作業(yè)實(shí)施難度。選用RTK技術(shù)應(yīng)用橫斷面與縱斷面測(cè)量，主要流程是待其中線確定之后，利用中線樁點(diǎn)坐標(biāo)，使用繪圖軟件，可短期內(nèi)完成路線的縱斷面以及各樁點(diǎn)橫斷面測(cè)量。因?yàn)閷?shí)際所需數(shù)據(jù)均是繪制地圖時(shí)采集，所以無(wú)須再次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，以有效降低各類(lèi)資源耗損。

5 結(jié)束語(yǔ)

RTK技術(shù)的誕生為測(cè)量作業(yè)提供了新的發(fā)展方向，其集成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位，成功將測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用從單純控制測(cè)量擴(kuò)展至常規(guī)工程測(cè)量中，其仍存在較大的挖掘空間，與GIS集成、綜合自動(dòng)化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。