GPS及RTK技术在道路工程中的应用
2012-09-17 来源：作者：王小广 来源：中国论文网
在飞速发展的科技时代，时间就是生产力，效率就是效益。如何在激烈的竞争中得以生存，改变工作手段，充分利用先进的设备，掌握先进的技术，是时代的呼唤。在道路行业，作为先锋军的测量专业，社会的发展已经打破了传统的作业方式（即耗时耗力的常规测量，比如用经纬仪、全站仪进行边角测量），代表测绘发展方向RTK测量的问世，几年间就为测绘、土地、交通、水利、电力等行业的发展，开辟了一个极其广阔的天地。GPS测量在公路中的实践表明，这种测量方式，尤其是RTK测量，不仅能更好的保证精度，而且大大的降低了野外作业的劳动强度，大大的提高了野外的作业速度，减少了野外的作业人员，节约了工程成本。本文结合生产实践就GPS、RTK技术在道路工程测设中的应用作一总结。
一、GPS定位原理
GPS是利用导航卫星进行测时、测距，以构成全球定位系统。整个系统包括三大部分：
空间部分、地面监控部分和用户部分。
GPS定位原理即测量学中的空间距离后方交会，各测点共视卫星，测定出接收天线到各可见卫星的瞬时距离。为了测定瞬时站星距离，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；二是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。
在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位；若接收机相对而言于地球表面静止，则称为静态定位。由于载波相位测量的关键技术是求解“整周模糊度（整周未知数）”，静态测量需要较长的观测时间（一般60min以上），其目的是让卫星星座有较大的变化，以便正确求解整周模糊度；动态测量采用整周模糊度快速逼近技术（FAFA）、OTF算法，提高定位速度。
二、GPS在道路测量中的应用
应用GPS技术进行道路测量首先应根据工程需要确定GPS控制网的等级，控制测量分为一级、二级、三级和四级共四个等级。对大型桥梁和隧道工程的控制网应采用一、二级精度等级，三级、四级可作为道路的首级控制网。对道路首级控制网通常采用载波相位静态差分技术，以保证得到毫米级精度，满足测区首级四等控制网的要求。
1、点位选择与布网方案
（1）GPS控制点应布设在交通方便、便于长期保存的路线两侧。为了避免多路径影响，点位周围应开阔，无大面积水域，无大型建筑物和反射物等。
（2）保证卫星高度角，点位周围无高于150m的成片建筑物等。
（3）点位400m范围内无大功率无线电发射源和高压线。
（4）每6—7km左右布设一对GPS点，其对点间要求通视，距离在0.5-0.8km左右，对点连线与中心线交成锐角。
2、外业观测及基线解算
外业观测使用仪器为三台美国天宝公司生产的双频接收机，捕捉卫星4颗以上，有效同步观测时间均大于60min。由于图1所示GPS网中复测基线较少，因此对观测的要求也较高，要尽量避免含有粗差的基线向量存在。根据以往的实践经验，基本达到了要求，重测率很低。
3、GPS网平差
网平差采用天宝随机附送网平差软件。该软件软件要求平差前首先进行已知三角点的坐标转换和闭合差检验，最后才能进行网平差。
（1）坐标转换
测区位于东经106037，-107030，，北纬30023，-31030，之间，为30带360带的边缘，投影长度变形大于2.5cm/km，不宜采用统一的1954年北京坐标系。为了减少该测区投影长度变形，依照高斯投影长度变形规律，选择作为1070中央子午线，另外根据测区高程及所纬度，选择平面高程面为1400m，纬度为30055’，高程异常值为15m，此数据作为测量平面坐标系统的依据。
坐标转换时，采用TGPPS将已知点高斯60带坐标转换成30带坐标和大地坐标，再将30带坐标转换至任意坐标系中的坐标，然后进行测区平均高程面投影计算。
（2）闭合差检验
根据规范要求分别对同步环、独立环及复测基线进行坐标分量闭合差和全长闭合差的检验，剔除不合格的基线。
（3）GPS网平差
平差时首先以一个已知点的伪距定位值为依据，将基线向量网在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差，以考核GPS网的内部符合精度。根据输出的各独立基线向量的改正数和弦长相对精度，检查观测值有无粗差。然后在约束平差确定的有效观测量的基础上，以三个已知点为起算点，在高斯独立坐标系下进行二维约束平差。
三、RTK技术在路线放样中的应用
RTK（RealtimeKinematic）实时动态定位技术是一项以载波相位观测为基础的实时差分GPS测量技术，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统,它的基本组成由
基准站和流动站两部分组成，基准站包含基准站接收机和数据传输电台，流动站部分可以有一台或多台流动站接收机。
进行RTK作业的时候，需要进行基准站设置及流动站设置。设置基准站的目的有两个：一是给基准站位置信息，以供RTK的计算使用；二是给基准站接收机和基准站电台发出实时转发载波相位观测量的指令。设置流动站的目的是给流动站接收机及内置的电台发出接收基准站电台信息的指令。
在RTK作业模式下基准站和流动站必须保持同时跟踪至少5颗以上的卫星，基准站不断地对可见卫星进行观测，并把带有已知点位置的数据，借助电台将其观测值坐标信息，发送给流动站接收机；流动站接收机将自己采集的GPS观测数据和接收来自基准站的数据，组成差分观测值进行实时处理，求得其三维坐标（X、Y、Z）。
“区域性”地方坐标参数
对于线路工程，求取“区域性”坐标转换参数，需要收集控制线路的足够控制点的大地坐标和地方坐标，只要有了足够多点的大地坐标和地方坐标，利用相关的软件，如天宝TGO软件中的GPS点校正功能和天宝测量控制器中的点校正功能，就可以轻松的求取坐标转换参数。对于参与求参的控制点，应该满足以下条件：
①控制点的数量应足够。一般来讲，平面控制应至少三个，高程控制应根据地形地貌条件，数量要求会更多（比如4个或以上）以确保拟合精度要求。
②控制点的控制范围和分布的合理性。控制范围应以能够覆盖整个工区为原则，一般情况下，相邻控制点之间的距离在3km-5km，所谓分布的合理性主要是指控制点分布的均匀性，当然控制点是越多越好。
③控制点之间应具备相互位置关系精确的WGS84大地坐标BLH和地方坐标XYZ，以确保转换关系的正确性。
四、结语
GPS和RTK的迅速发展，使道路测量精度更高、速度更快，在道路工程中应用也会相当普遍，同时对于道路工程施工测量技术人员要求也更高。
