GPS RTK技术在道路中线钉桩中的应用①

摘 要：本文介绍了GPS RTK技术的基本原理、GPS RTK系统的组成和工作条件、GPS RTK技术在道路中线钉桩方面的应用，可以有效地提高作业效率和产品质量，最后得出了GPS RTK技术的优点、局限性以及今后的发展方向。

关键词：GPS RTK技术 道路中线钉桩 优点以及局限性

中图分类号：P2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0037-02

全球卫星定位系统的全面建设和发展导致了导航和测绘行业的一场深刻的技术革命。GPS正以其高精度、自动化、全天候及高效益运作，同时又兼顾灵活方便的技术特征，且从根本上突破了传统测量方法与技术的时空局限性。现代测量方法与技术已经能够跨越时空和恶劣自然环境的限制，实现无人干预的自动连续观测和数据处理。在以GPS为代表的科技背景下，又产生了实时动态测量（RTK）技术，从而使卫星定位技术发展到了一个辉煌的历史阶段。

在测绘技术方面，RTK技术主要应用于控制测量、像控点测量、线路中线钉桩、用地钉桩、工程建设中的施工放样和各种比例尺地形图测绘。

常规的道路中线钉桩测量方法通常是在测区内利用已有控制点布设导线，然后依据导线点来放样道路中线桩点。常规作业方法一般要求至少3～4人操作，作业时一旦测算超限或精度不合要求还需要外业返测，费工费时，而近年迅猛发展的RTK动态测量技术，则使测绘行业正在经历一场产业革命。利用RTK技术进行道路中线钉桩正逐渐取代常规作业方法，它具有速度快精度高的特点，更重要的是RTK技术还能实时查询钉桩点位坐标及精度，几乎不存在返工问题。

1 GPS RTK技术原理

1.1 GPS RTK原理

GPS RTK （GPS Real Time Kinematic）技术即实时载波相位差分技术，是实时处理两个测点载波相位观测量的差分方法。载波相位差分方法分两类：一类是修正法，即将基准站的载波相位修正值直接发给流动站，改正流动站接受到的载波相位，然后求解流动站的实时坐标，该方法初始化速度慢，定位精度稍差；第二类是差分法，即求解起始相位整周模糊度，又称RTK初始化，然后再进行实时差分。它要求基准站GPS接受机实时的把观测数据及已知数据传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到5颗或以上卫星后，可实时求解出厘米级的流动站位置。

1.2 GPS RTK系统组成

RTK系统主要由三大部分组成。

（1）基准站接收机。

（2）数据链。

（3）移动站接受机。

1.3 GPS RTK系统的工作条件

GPS RTK系统正常工作需具备以下三个条件。

（1）基准站和移动站同时接收到相同的5颗以上GPS卫星。

（2）基准站同时接收到卫星信号并发出差分信号。

（3）移动站要连续接收到卫星信号和基准站发出的差分信号。

2 GPS RTK技术在道路中线钉桩中应用的具体过程

2.1 工程概况

本工程为北京市经济技术开发区路东区道路钉桩，根据北京市经济技术开发区路东区规划道路网图，本次所钉道路为东西向、南北向共计8条，总共15 km，涉及道路中线交点以及方向桩共计78个。

开发区路东区全是庄稼地以及茂密的灌木丛，长满了玉米、高粱、黄豆以及荆棘，给道路中线钉桩带来了巨大的障碍。由于铺开的工作面比较大，特别是要求在3天内将道路中线桩位全部交给施工单位，时间紧、任务重、工作难度大，决定利用GPS RTK进行实地钉桩。

2.2 外业踏勘与资料准备

本次作业采用GPS RTK结合全站仪进行钉桩，条件好、遮挡少、信号好的地方直接采用GPS RTK进行钉桩；条件不好、遮挡多、信号不好的地方采用利用GPS RTK预留控制点，利用全站仪进行钉桩。起始控制点使用我院一、二级导线成果及一级GPS点成果。

2.3 基准站的选择

基准站点位的选择应便于安置接收设备，视野应开阔，周围无高度角超过10度的障碍物，以保证GPS观测顺利进行。基准站需远离大功率无线电发射源（如：电视台、微波站等），并远离高压输电线路。基准站附近不得有强烈干扰接收卫星信号的物体。基准站周围无GPS信号反射物，以减少多路径误差。基准站的间距须考虑GPS电台的功率和覆盖能力，应尽量布设在相对较高的位置，以获得最大的数据通讯有效半径，方便发播传送差分改正信号。基准站应设在不低于一级导线精度的控制点上。

2.4 基准站设置

在已知点上架设好GPS接收机和天线，按要求连接好一切连线后，打开接收机，输入基准站的北京地方坐标、天线高。待电台指示灯显示发出通讯信号后，流动站即可开始工作。基准站接收机接收到卫星信号后，经数据传输发射电台将差分信息发送给流动站，一个基准站提供的差分改正数可提供数个流动站使用。基准站的仪器高在接收机开机、关机前均应在三个不同方向量取天线的高度，互差不大于3 mm，并做好记录。每隔一段时间应对仪器设备的状态进行检查，确保在整个作业过程中仪器处于良好的工作状态中。

2.5 流动站工作

通过手簿建立项目，对流动站参数进行设置，该参数必须与基准站及电台相匹配，用已知点的平面和大地坐标进行点校正。接通流动站接收机和电台后，接收机在接到GPS卫星信号的同时，也接收到了由数据通讯电台发送来的差分改正数据，这个过程所需时间不到一分钟，只要接收到5颗以上卫星和基准站的信息，操作人员就可以对所要钉桩的点位进行导航定位了。

（1）初始化的获得：PDOP值<6；卫星高度截至角>15°；有效的观测卫星数≥5颗。

（2）流动站跟踪杆必须附加一个支架，保证在测量时跟踪杆的圆气泡严格稳定居中。

（3）基准站各项设置完成后，至少应有一个以上已知点对其进行校核，点位误差不大于±5 cm。

（4）电子手簿的导航应该是在获得GPS RTK观测值的固定解后进行。当RTK固定解在稳定收敛后，就开始导航到点直至最后收敛至mm级精度，开始钉桩，做点之记且应该观测记录两次作为验桩值。

2.6 精度分析

放样点的理论坐标与钉桩后所测得的验桩坐标列表如表1。

由表1可以看出，将放样点的理论坐标与钉桩后所测得的验桩坐标进行比较，Y最大误差为1.6 cm，X最大误差为1.1 cm，最大平面较差为1.9 cm，均小于5 cm的精度要求，说明钉桩成果符合规范要求，钉桩成果是可靠的。

3 结论

GPS RTK技术与传统测量方法相比，具有以下优点。

（1）作业效率高。

GPS RTK作业可以全天候放样且不受通视条件限制，一般地形条件下，高质量的GPS RTK设站一次即可测完4 km半径的测区，大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数。如果几个流动站同时工作则可以大大加快工作进度，大大提高作业效率。

（2）放样精度高。

GPS RTK测量水平精度达±10 mm +1 ppm，高程精度达±20 mm+1 ppm。GPS RTK的放样精度取决于GPS系统本身、GPS RTK设备、测量环境、用户专业水平、放样方法等5大因素。只要认真作业，规范操作，GPS RTK放样可得到满意的放样成果。放样精度达到厘米级，能满足放样要求，而且位精度分布较均匀。每个点的误差均为随机产生，不会像传统测量一样产生误差积累，成果准确、可靠。

（3）节省人力资源。

用GPS RTK技术进行钉桩放样，不需要额外布设控制网点，而且点间无需通视，省去了控制测量费用；由于作业时间短，一个GPS RTK流动站仅需一人操作仪器，一人钉桩并做点之记。因此人员大大减少，节省了人力物力。

（4）经济效益高。

GPS RTK技术是一项20世纪末出现的高投入、高产出、高回报的新兴科学技术且日趋完善和成熟。目前该技术已进入实用阶段，在控制测量、像控点测量、线路中线定线、用地钉桩、工程建设中的施工放样和各种比例尺地形测图等个方面中发挥着巨大的作用，节约了大量的人力物力和时间。

同时GPS RTK技术具有它的局限性。

（1）受卫星状态限制。

当卫星系统位置对作业区域不是是最佳的时候，作业区域在某一确定的时间段不能很好地被卫星所覆盖，容易产生假值。另外，在高山峡谷深处及密集森林区，城市高楼密布区，卫星信号被遮挡时间较长，使得一天中的有效作业时间受限制。

（2）数据链传输受干扰和限制。

GPS RTK数据链传输易受到障碍物如高大山体、高大建筑物和各种高频信号源的干扰，在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。在地形起伏高差较大的山区和高楼密集区数据链传输信号受到限制。

（3）初始化能力和所需时间问题。

在山区，一般林区，城镇密楼区等地作业时，GPS卫星信号被遮挡机会较多，容易造成失锁，采用GPS RTK作业时有时需要经常重新初始化。

GPS RTK技术是一项具有广泛应用前景和重要应用价值的新兴科学技术，已经在测量和工程界产生了重大变革，而且伴随着新一代GNSS网络RTK测量技术的出现与应用、推广，高精度GPS的发展进入了一个新的阶段，它将使GPS的应用领域获得极大的扩展，从根本上提高测量的质量和作业效率。

参考文献

[1]李天文.GPS原理及应用[M].北京：科学出版社，2003.

[2]李永胜.GPS-RTK技术简介及在公路测量中的应用[J].北京测绘，2005（1）：16-19.

[3]刘绍堂.RTK在郑州东新区建设用地勘测定界测量中的应用[J].北京测绘，2005（3）：55-56.