GPS-RTK在铁路工程测量中的应用

2022-09-10

全球定位系统 (Global Positioning System, 简称GPS) 是由美国国防部从1972年开始研制的新一代卫星导航和定位系统。它能在全球范围内, 向数目不限的用户提供连续的、实时的位置、速度和时间信息, 从而受到全世界的广泛关注。全球定位系统G P S的研制经历了原理可行性验证、系统的实验研制以及最后完成和发展三个重要阶段。G P S实时动态定位 (R T K) 技术是用以实施动态测量的, 以载波相位观测值为研究依据的实时差分G P S定位技术。

1 GPS-RTK工作原理

G P S-R T K是基于载波相位观测值的实时动态定位技术。实时动态测量 (R T K) 测量的基本原理是:GPS-RTK定位由基准站和流动站两部分组成, 基准站一般选设在视野较开阔、地势较高的已知控制点上, 从而方便于对G P S卫星进行连续跟踪观测, 在基准站上设置一台G P S接收机, 通过对所有可见的G P S卫星进行连续性观测, 然后将其得到的观测数据通过无线电传输设备, 准确地、实时地发送到各个用户流动站。G P S-R T K定位能够实时地提供各个待测点在指定坐标系中的准确三维定位结果, 用户流动站通过数据链接收不仅能得到来自基准站的数据, 还可进行G P S观测数据采集工作, 并在系统内通过组成差分观测值的方式对所得数据进行实时处理, 同时给出厘米级的动态定位结果。

传统的静态定位测量是在一条或数条基线的端点之上分别安置两台或两台以上的G P S接收机, 以基线长度的要求及其精度为主要依据, 对所得观测值进行处理工作, 可等到任一测站的精密的W G S-8 4基线向量, 经过国家三角点或更高精度的A级网点联测、坐标解算、平差、坐标传递、坐标转换等工作, 最终得到坐标结果, 这是一段非常耗时的工作。显然静态定位测量的这种工作特性决定其不具备实时性。而G P S实时动态 (RTK) 定位技术是在传统的静态定位测量常用设备的基础之上, 增加一套无线电数字传输设备系统 (我们通常称之为电台) , 从而把以前两个相对独立的GPS信号接收系统联成了一个有机的整体。基准站通过无线电数字传输设备系统将观测值数据、信息实时地传输给各个用户流动站, 用户流动站根据基准站传来的载波相位观测信号, 与流动站本身的载波信号成基线进行实时数据处理工作, 就能很快速地解算出两站间的基线值。由于接收机输入了相应的坐标转换和投影参数等相关信息, 所以也就能实时地得到各个用户流动站测点坐标位置。

2 GPS-RTK定位的作业流程

(1) 基准站的设置:依照工程的需要, 在当地收集一些等级较高的已知控制点, 并对所收集到的已知控制点进行检测以保证数据准确可靠, 然后在测区内设置若干控制点, 联测坐标与高程。R T K定位测量时, 在已选定的基准站上安置G P S信号接收机, 正确配置各个参数。

(2) 求取转换参数:利用所设的控制点 (三个或三个以上) 来求取坐标转换参数, 然后对各控制器进行测量即可实时解算各定位点的独立坐标。 (3) 流动站测量定位:求取完坐标转换参数之后, 就可在测区根据工程需要进行相应的测量定位放样、测量及绘制工作。

3 GPS-RTK在铁路工程测量中的作业模式

(1) 选择作业时段:由于铁路沿线地貌极其复杂多变, 所以必须根据卫星预报和天气预报来选择最佳的观测时段, 才能获取完整的数据。当然, G P S卫星的几何分布越好, 定位的精度也就越高。用相关软件来查看各个预测指标, 然后根据预测的结果来合理安排工作计划。 (2) 建立测区平面控制网:根据中线放样资料, 用G P S静态测量方法建立测区控制网, 相邻点间距5~8公里, 并与国家点联测, 求出各控制点的平面坐标, 于此同时也不得不考虑其投影变形, 其变形的程度取决于测区地理位置和高程, 铁路线路跨越范围广, 线路走向、地形情况千差万别, 长度变形也因此各不相同, 所以必须采取一些相应的措施来消弱长度变形。 (3) 高程控制测量:G P S得到的高程是大地高, 而实际采用的却是是正常高, 因此需要将大地高转化为正常高。但测区的高程异常通常来说是未知数, 且变化较为复杂, 特别在山区, 精度更差。此外, 新线定测要求约每隔2 k m设置一水准点, 但存在着有些地形不能满足G P S观测的条件, 采用高程拟合的方法拟合所得的高程精度也因此不能得到保证, 完全地用G P S替代等级水准难度较大。因此等级水准仍采用水准仪作业模式。 (4) 求取地方坐标转换参数:合理选择控制网中已知的WGS84和北京54坐标以及高程的公共点, 求解转换参数, 为R T K动态测量工作做好准备。选择转换参数时要注意以下两个问题: (1) 选测区四周及中心的控制点均匀分布; (2) 为提高转化精度, 最好选3个或3个以上的控制点, 利用最小二乘法求解转换参数。 (5) 基准站选定:基准站设置除满足G P S静态观测的条件外, 还应设在地势较高, 视野较开阔的位置, 便于电台的发射。 (6) 放样内业数据准备:利用测量内外业一体化程序完成全部计算工作。将线路的起点坐标、方位角、直线长度及曲线要素输入, 程序根据输入要素计算出全线待放样点的坐标, 按相应的数据格式将放样点坐标导出成T r i m b l e D C文件, 通过D a t a Transfer将DC文件导入到外业掌上电脑供外业调用。 (7) 外业操作:将基准站接收机设在基准点上, 开机后进行必要的系统设置、无线电设置及天线高等输入工作。通常公布的坐标系统和大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差, 因此要通过点校正来减少这些偏差, 获得更精确的当地网格坐标, 且确保作业区域在校正的点范围内。

4 GPS-RTK动态测量的特点

(1) 可进行全天候作业。在任何时间任何地点, 只要能同时接收到4颗以上G P S卫星的信号, 并满足一定的几何图形条件, 即能立即进行正常作业。 (2) 经典G P S测量不具备实时性, RTK动态测量有效地弥补这一缺陷, 放样精度可达到厘米级。 (3) 流动站利用同一基准站的信息可各自独立开展工作。 (4) 实时提供测点的三维坐标, 及时对观测质量进行现场检查, 避免返工。 (5) G P S误差不累积。

5 结语

G P S-R T K动态测量技术不仅能达到较高的定位精度, 而且大大提高了测量的工作效率, 随着R T K技术的不断发展, G P S-R T K动态测量技术已经逐步应用到工程测量领域中。通过相应的数据处理程序, 大大减轻了测量人员的劳动强度。因此, R T K技术在铁路工程测量领域有着广阔的应用前景。

摘要：GPS是铁路工程测量定位系统的最新发展趋势, 本文简要介绍了GPS实时动态定位 (RTK) 技术及在工程测量中的应用, 并对GPS在铁路工程测量中的应用前景作了展望。

关键词：GPS,动态测量,应用