GPS-RTK技术在铁路测量中的应用

陈国柱

摘    要：随着科技发展，GPS（Global Positioning System）全球定位系统已在各个领域广泛应用，特别是RTK（Real Time Kinematic）测量技术由于其方便性应用越来越广。GPS-RTK作为一种在铁路测量中比较常用的新型测量技术，在实际测量中实现了把测量的精准度提到了cm的级数，有了很大的应用价值和发展前景，本论文主要论述了GPS-RTK技术的基本原理和在铁路测量过程中的应用。

关键词：GPS-RTK技术;铁路测量;应用

1  RTK工作原理和优缺点

1.1  工作原理

GPS-RTK（实时动态差分技术）是载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机。其原理类似于GPS静态观测，只是静态观测是事后处理数据，而RTK技术是实时数据处理，原理为，最少两台接收机，一台作为基准站（可以架在已知点也可以不用架在已知点），一台流动站，基准站和流动站同时接受卫星信号，同时基准站将接收到的载波相位观测值，伪距观测值，基准站坐标（此时的基准站坐标经过点校正为准确坐标），通过无线电传送给流动站，流动站的固化软件通过解算两种信号得到，基准站和流动站的空间位置相对关系（即基线向量）加上基准站坐标就为流动站的在当前坐标系下的平面坐标。

1.2  优点

（1）观测站之间无需通视。RTK测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。

（2）提供三维坐标。RTK测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。RTK测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。

（3）定位精度高，没有误差积累。RTK所有流动站放样都只跟基准站相联，相当于每个放样点都是以基准站放样，没有误差累计，完成改变了全站仪距离产生的累计误差。

（4）测量作业多样化，有测量点、放样点、线路放样测量、电力线、参考线、地震线、物探等多种测量作业。

（5）两种设站方式（已知点设站和任意设站）方便快捷精度高。

（6）工作模式多样化，可根据现场施工情况选择工作模式。

（7）全天候作业，可以在任何地点、任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。

1.3  缺点

（1）GPS卫星信号对测量精度影响较大，且部分位置无卫星信号，直接影响外业观测。

（2）每天的13～15点这两个小时内电离层会影响GPS卫星数量，导致接收机不能初始化。

（3）数据链传输受障碍物和传输距离影响较大，直接影响测量精度。

（4）在山区出现的高程异常对测量结果产生较大误差，高海拔地区作业时RTK的高程精度也受到影响。

2  GPS-RKT作业精度

随着GPS技术的不断提高，RTK作业精度也有了稳步提升，实时动态RTK精度为：平面精度：±（10+1×10-6×D）mm、高程精度：±（20+1×10-6×D）mm。经过多次测试，RTK在观测60s～180s的时间长度放样点位精度可以达到1.5cm以内。可以进行2cm限差的结构物放样。

3  GPS-RTK在铁路测量中的应用

3.1  应用于控制测量

在铁路定测中对中线放样工作之前，采用传统的测量方法，沿着铁路线进行铺设平面控制网的工作。解算后对各点的平面坐标进行求解，两点之间的距离应该控制在5km～8km内。与此同时与国家联测求出各点的坐标。同时也应该考虑到投影变形的情况，因为测量区域的位置会对投影的变形造成一定的影响，而且全程的铁路线路又长短不一，所以会涉及到很广的地域。又因为不同线路的走向不同，线路经过的地形也不同，因此变形的情况会出现一定的差异。由于投影带的变形限制，因此放样长度和实际的长度会不一致，因此要尽快采取相关的解决措施来改善这种情况。

3.2  应用于绘制大比例地形图

对于测量工作者来说，测量工作始终要遵循先控制后碎步的工作原理，工作量相当的大，而RTK作业，可在地形地物上直接测量获取三维坐标，再由控制器中的软件系统将坐标、高程与有关的点属性编码综合存储，在室内及时绘制大比例地形图，但有时候会碰到少量的障碍物后应怎样处理的问题，现在RTK-GPS控制器系统中的坐标几何功能就能很好地解决这样的问题，用线-线交点，线-距正交等方法间接算出所求点的坐标。运用GPS-RTK技术进行测量不仅使测量难度大幅度降低，而且使工作量大幅减少，同时节省了大量的人力和物力等。

3.3  应用于铁路中线及边坡放样

GPS-RTK技术应用到铁路中线及放样，只需一人就可以完成整个项目，大幅度节约了人力资源。将线路参数，例如线路的起点和终点及坐标、曲线长度、偏角和半径以及线路断面等数据输入到RTK控制区，就可以进行放样了。这种放样方法不仅方便操作，而且也可以随时对桩号和坐标放样进行转换。如果在进行放样的过程中出现方位的偏移时，会在屏幕上面直接显示，并且用箭头表示出来以便于后期人为更改。因为每个点的测量都是分开进行的，因此不会出现大范围内的测量误差。因为GPS对信号的接收没有太大的难度限制，只用保证小范围内无遮挡物即可，因此也不用对遮挡信号的树木进行砍伐，有利于保护生态环境。在放样工作进行中，为了尽量降低出现误差的概率，应在固定范围内对坐标校正，做到出现问题，及时解决。

3.4  应用于铁路桩基放样

桩基成桩中心允许偏差±50mm ， 使用GPS-RTK放样完全可以满足精度要求，但在放样过程中要注意检核。放样前在流动站获得固定解后要在已知三维坐标的控制点进行校准，在该点的实测坐标与设计坐标偏差平面达到10mm以内、高程达到20mm以内，方可进行现场放样工作。若偏差较大需检查基准站架设的仪器是否对中、坐标系定义是否正确、坐标输入是否有误等。桩位放样后，应用同一承台内的桩位的相对几何关系验证，同一承台内的桩基全站仪只放样一个桩位即可对全部桩基进行位置复核，既提高了工作效率又保证了精度。

4  结束语

现在，在我国铁路建设中GPS-RTK技术已经得到越来越广泛的应用。它与传统的铁路测量方法相比，具有显著的优势，不仅能在取得较高的精度前提下提高铁路测量的工作效率，而且能与时俱进，随着科学技术的不断发展，这项技术已经广泛的运用到测量领域。同时也影响着测量工具和手段开始逐步发生转变，测量数据的精度以及方式的创新有效的提高了我国铁路建设的工作水平和质量。利用一些相关的数据处理技术，减轻了工作人员外业劳动强度和压力，从而使整个铁路的勘测工期实现缩短。GPS-RTK技术在铁路测量领域有很广阔的应用前景，此外GPS-RTK作业以其高效率还可广泛应用于航测外控、铁路、公路、电力的勘测设计和施工放样以及石油勘探、水文地质调查等领域。

参考文献：

[1]  TB 10101—2009.铁路工程测量规范[S] .

[2]  TB 10601—2009.高速铁路工程测量规范[S] .

[3]  GB/T 18314—2009.全球定位系統（GPS）测量规范[S] .

[4] TB 10054—2010.铁路工程卫星定位测量规范[S] .