GPS及RTK技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用
2012-09-17 來(lái)源：作者：王小廣 來(lái)源：中國(guó)論文網(wǎng)
在飛速發(fā)展的科技時(shí)代，時(shí)間就是生產(chǎn)力，效率就是效益。如何在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中得以生存，改變工作手段，充分利用先進(jìn)的設(shè)備，掌握先進(jìn)的技術(shù)，是時(shí)代的呼喚。在道路行業(yè)，作為先鋒軍的測(cè)量專業(yè)，社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的作業(yè)方式（即耗時(shí)耗力的常規(guī)測(cè)量，比如用經(jīng)緯儀、全站儀進(jìn)行邊角測(cè)量），代表測(cè)繪發(fā)展方向RTK測(cè)量的問(wèn)世，幾年間就為測(cè)繪、土地、交通、水利、電力等行業(yè)的發(fā)展，開(kāi)辟了一個(gè)極其廣闊的天地。GPS測(cè)量在公路中的實(shí)踐表明，這種測(cè)量方式，尤其是RTK測(cè)量，不僅能更好的保證精度，而且大大的降低了野外作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大的提高了野外的作業(yè)速度，減少了野外的作業(yè)人員，節(jié)約了工程成本。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐就GPS、RTK技術(shù)在道路工程測(cè)設(shè)中的應(yīng)用作一總結(jié)。
一、GPS定位原理
GPS是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)、測(cè)距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括三大部分：
空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分。
GPS定位原理即測(cè)量學(xué)中的空間距離后方交會(huì)，各測(cè)點(diǎn)共視衛(wèi)星，測(cè)定出接收天線到各可見(jiàn)衛(wèi)星的瞬時(shí)距離。為了測(cè)定瞬時(shí)站星距離，主要采用兩種方法：一是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時(shí)間，即偽距測(cè)量；二是測(cè)量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，即載波相位測(cè)量。
在定位觀測(cè)時(shí)，GPS定位分為動(dòng)態(tài)定位和靜態(tài)定位。若接收機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位；若接收機(jī)相對(duì)而言于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位。由于載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)是求解“整周模糊度（整周未知數(shù)）”，靜態(tài)測(cè)量需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間（一般60min以上），其目的是讓衛(wèi)星星座有較大的變化，以便正確求解整周模糊度；動(dòng)態(tài)測(cè)量采用整周模糊度快速逼近技術(shù)（FAFA）、OTF算法，提高定位速度。
二、GPS在道路測(cè)量中的應(yīng)用
應(yīng)用GPS技術(shù)進(jìn)行道路測(cè)量首先應(yīng)根據(jù)工程需要確定GPS控制網(wǎng)的等級(jí)，控制測(cè)量分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)共四個(gè)等級(jí)。對(duì)大型橋梁和隧道工程的控制網(wǎng)應(yīng)采用一、二級(jí)精度等級(jí)，三級(jí)、四級(jí)可作為道路的首級(jí)控制網(wǎng)。對(duì)道路首級(jí)控制網(wǎng)通常采用載波相位靜態(tài)差分技術(shù)，以保證得到毫米級(jí)精度，滿足測(cè)區(qū)首級(jí)四等控制網(wǎng)的要求。
1、點(diǎn)位選擇與布網(wǎng)方案
?。?）GPS控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在交通方便、便于長(zhǎng)期保存的路線兩側(cè)。為了避免多路徑影響，點(diǎn)位周圍應(yīng)開(kāi)闊，無(wú)大面積水域，無(wú)大型建筑物和反射物等。
?。?）保證衛(wèi)星高度角，點(diǎn)位周圍無(wú)高于150m的成片建筑物等。
（3）點(diǎn)位400m范圍內(nèi)無(wú)大功率無(wú)線電發(fā)射源和高壓線。
?。?）每6—7km左右布設(shè)一對(duì)GPS點(diǎn)，其對(duì)點(diǎn)間要求通視，距離在0.5-0.8km左右，對(duì)點(diǎn)連線與中心線交成銳角。
2、外業(yè)觀測(cè)及基線解算
外業(yè)觀測(cè)使用儀器為三臺(tái)美國(guó)天寶公司生產(chǎn)的雙頻接收機(jī)，捕捉衛(wèi)星4顆以上，有效同步觀測(cè)時(shí)間均大于60min。由于圖1所示GPS網(wǎng)中復(fù)測(cè)基線較少，因此對(duì)觀測(cè)的要求也較高，要盡量避免含有粗差的基線向量存在。根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基本達(dá)到了要求，重測(cè)率很低。
3、GPS網(wǎng)平差
網(wǎng)平差采用天寶隨機(jī)附送網(wǎng)平差軟件。該軟件軟件要求平差前首先進(jìn)行已知三角點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和閉合差檢驗(yàn)，最后才能進(jìn)行網(wǎng)平差。
?。?）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
測(cè)區(qū)位于東經(jīng)106037，-107030，，北緯30023，-31030，之間，為30帶360帶的邊緣，投影長(zhǎng)度變形大于2.5cm/km，不宜采用統(tǒng)一的1954年北京坐標(biāo)系。為了減少該測(cè)區(qū)投影長(zhǎng)度變形，依照高斯投影長(zhǎng)度變形規(guī)律，選擇作為1070中央子午線，另外根據(jù)測(cè)區(qū)高程及所緯度，選擇平面高程面為1400m，緯度為30055’，高程異常值為15m，此數(shù)據(jù)作為測(cè)量平面坐標(biāo)系統(tǒng)的依據(jù)。
坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，采用TGPPS將已知點(diǎn)高斯60帶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成30帶坐標(biāo)和大地坐標(biāo)，再將30帶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至任意坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后進(jìn)行測(cè)區(qū)平均高程面投影計(jì)算。
?。?）閉合差檢驗(yàn)
根據(jù)規(guī)范要求分別對(duì)同步環(huán)、獨(dú)立環(huán)及復(fù)測(cè)基線進(jìn)行坐標(biāo)分量閉合差和全長(zhǎng)閉合差的檢驗(yàn)，剔除不合格的基線。
?。?）GPS網(wǎng)平差
平差時(shí)首先以一個(gè)已知點(diǎn)的偽距定位值為依據(jù)，將基線向量網(wǎng)在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無(wú)約束平差，以考核GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度。根據(jù)輸出的各獨(dú)立基線向量的改正數(shù)和弦長(zhǎng)相對(duì)精度，檢查觀測(cè)值有無(wú)粗差。然后在約束平差確定的有效觀測(cè)量的基礎(chǔ)上，以三個(gè)已知點(diǎn)為起算點(diǎn)，在高斯獨(dú)立坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差。
三、RTK技術(shù)在路線放樣中的應(yīng)用
RTK（RealtimeKinematic）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)是一項(xiàng)以載波相位觀測(cè)為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)，是GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng),它的基本組成由
基準(zhǔn)站和流動(dòng)站兩部分組成，基準(zhǔn)站包含基準(zhǔn)站接收機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，流動(dòng)站部分可以有一臺(tái)或多臺(tái)流動(dòng)站接收機(jī)。
進(jìn)行RTK作業(yè)的時(shí)候，需要進(jìn)行基準(zhǔn)站設(shè)置及流動(dòng)站設(shè)置。設(shè)置基準(zhǔn)站的目的有兩個(gè)：一是給基準(zhǔn)站位置信息，以供RTK的計(jì)算使用；二是給基準(zhǔn)站接收機(jī)和基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)載波相位觀測(cè)量的指令。設(shè)置流動(dòng)站的目的是給流動(dòng)站接收機(jī)及內(nèi)置的電臺(tái)發(fā)出接收基準(zhǔn)站電臺(tái)信息的指令。
在RTK作業(yè)模式下基準(zhǔn)站和流動(dòng)站必須保持同時(shí)跟蹤至少5顆以上的衛(wèi)星，基準(zhǔn)站不斷地對(duì)可見(jiàn)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，并把帶有已知點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)，借助電臺(tái)將其觀測(cè)值坐標(biāo)信息，發(fā)送給流動(dòng)站接收機(jī)；流動(dòng)站接收機(jī)將自己采集的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，求得其三維坐標(biāo)（X、Y、Z）。
“區(qū)域性”地方坐標(biāo)參數(shù)
對(duì)于線路工程，求取“區(qū)域性”坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，需要收集控制線路的足夠控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，只要有了足夠多點(diǎn)的大地坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，利用相關(guān)的軟件，如天寶TGO軟件中的GPS點(diǎn)校正功能和天寶測(cè)量控制器中的點(diǎn)校正功能，就可以輕松的求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。對(duì)于參與求參的控制點(diǎn)，應(yīng)該滿足以下條件：
①控制點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)足夠。一般來(lái)講，平面控制應(yīng)至少三個(gè)，高程控制應(yīng)根據(jù)地形地貌條件，數(shù)量要求會(huì)更多（比如4個(gè)或以上）以確保擬合精度要求。
?、诳刂泣c(diǎn)的控制范圍和分布的合理性?？刂品秶鷳?yīng)以能夠覆蓋整個(gè)工區(qū)為原則，一般情況下，相鄰控制點(diǎn)之間的距離在3km-5km，所謂分布的合理性主要是指控制點(diǎn)分布的均勻性，當(dāng)然控制點(diǎn)是越多越好。
?、劭刂泣c(diǎn)之間應(yīng)具備相互位置關(guān)系精確的WGS84大地坐標(biāo)BLH和地方坐標(biāo)XYZ，以確保轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性。
四、結(jié)語(yǔ)
GPS和RTK的迅速發(fā)展，使道路測(cè)量精度更高、速度更快，在道路工程中應(yīng)用也會(huì)相當(dāng)普遍，同時(shí)對(duì)于道路工程施工測(cè)量技術(shù)人員要求也更高。
