单基站CORS-RTK在道路工程测量中的应用

李燕军,龚真春,李相全,石小涛,李春林

(61243部队,甘肃 兰州 730020)



单基站CORS-RTK在道路工程测量中的应用

李燕军,龚真春,李相全,石小涛,李春林

(61243部队,甘肃 兰州 730020)

相比较于常规RTK和多基站CORS及网络RTK,单基站CORS有其独特的优势。简述了单基站CORS的基本构成和原理及其优点和不足。以单基站CORS在某市政公路改扩建工程测量中应用为例,给出其在道路1:500数字带状地形图绘制和道路放样的测量结果及精度分析。实际应用表明,单基站CORS-RTK可明显提高作业效率,能满足一定的精度要求。

常规RTK;多基站;单基站;CORS-RTK;道路测量

0 引 言

连续运行卫星定位服务系统(CORS)技术是全球导航卫星系统(GNSS)在应用方面的一项重大突破,目前已在各领域得到了广泛的应用。特别是随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的正式投入运营,为推动和加快BDS应用,壮大产业化发展,现已掀起第二轮CORS系统的建设浪潮,如新建成的四川、河南北斗地基增强系统;以及陆续开展对已建成的省(区)、市级 CORS系统进行升级改造,如安徽省CORS、江苏省CORS、北京CORS等等。国内许多学者就CORS系统的理论技术和应用进行了广泛的研究,黄俊华等全面阐述CORS的发展历程、特点、建设和应用情况[1];陈俊勇就我国CORS系统的建设现状、问题及协调发展提出了建议[2];王智超详细研究了单基站精度测试与分析方法[3];文献[4]对CORS的实时坐标转换进行了研究;文献[5]将CORS系统成功应用于矿山测量等。

CORS系统有不同的分类方式,一般可分为单基站CORS、多基站CORS和网络RTK. 同常规的RTK、多基站CORS系统和网络RTK相比,单基站CORS-RTK系统有其自身的优势。本文简要叙述了单基站CORS系统的基本组成和工作原理,分析比较了其优点与不足,以南方单基站CORS系统在某市政公路改扩建工程测量中应用为例,给出了其在道路1:500带状地形图测制和道路曲线放样的过程、测量结果及精度分析。

1 单基站CORS系统的基本构成及原理

单基站CORS系统是指只有一个GNSS连续运行参考站,类似于“1+1”或“1+N”的RTK,只不过基准站由一个连续运行的基准站代替。

单基站CORS系统由GNSS参考站(基站)、数据服务器、网络通信模块和流动站组成。如图1所示。

图1 单基站CORS系统的构成

单基站CORS系统在原理上与普通参考站基本相同,每个基准站服务于一定作用半径内所有的用户。基准站连续不间断的观测GNSS的卫星信号获取该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数,并将数据打包存储在服务器,移动站用户接收定位卫星传来的信号,并解算出概略地理位置坐标,并通过数据通讯模块GPRS/CDMA 从服务器获取基准站提供的差分信息后,进行GNSS实时差分解算。同时,移动站用户在野外完成静态测量后,也可以从基准站下载同步时间的静态数据进行后处理。

2 单基站CORS系统的优势与不足分析

理论和实践应用表明,同常规RTK、多基站CORS和网络RTK的相比,单基站CORS系统具有以下明显优势[6]:

1) 投入较少:可充分利用现有设备资源,只需较少投资就可在中小城市建立一个单基站CORS系统,满足当地不同用户需求。

2) 灵活性强:根据实际需要,在满足GNSS观测条件的前提下,可随用随设,机动灵活地建立CORS站,基站可长期保留,亦可临时撤销。

3) 便于升级和扩展:当需要升级为多基准站CORS系统或网络RTK时,只要投入较少的经费进行系统升级,单基站CORS系统即可完成到网络RTK的升级。

4) 施工周期短、见效快:从方案论证、开工建设、设备调试,到验收运行,整个周期可在1个月内完成。

5) 设备使用和作业效率高:系统建成之后,只需保留一个GNSS接收机作为长期运行基准站,其余都可作为流动站使用;作业时,基站无须专人值守,流动站单人作业,作业速度快,劳动强度低,节省成本,作业效率高。

6) 覆盖范围广:传统的RTK受电台传播距离的限制,通常作业半径为5～7 km左右。单基站CORS系统由CDMA/GPRS等电信网络信号取代传统的数据电台方式,只要有手机信号的地方即可以进行作业,作业半径可达40～80 km左右,且精度达到厘米级。

7) 数据可靠、稳定、安全:基站不间断连续观测,全天候采集数据,用户采取登录授权方式,由数据中心统一管理登录用户,数据安全性高。

单基站CORS系统的主要不足为:对系统的可靠性要求较高,一旦单基站CORS系统发生故障或崩溃,将导致无法作业;距离基站越远,移动站初始化时间就越长,导航定位精度会越差;覆盖范围较之多基站或网络RTK而言仍是有限。

3 南方单基站CORS系统在市政公路测量中的应用

3.1 工程背景

某市环城道路改扩建工程东西长约30 km,地形整体为东高西低,弯道较多,道路两侧建筑物及各种电力、管线较为密集,车流量大,通视条件不佳,给测量和施工带来诸多不便。

考虑到作业环境,若采用传统方法难以在要求时间内完成测量任务实际,决定利用本市建立的单基站CORS系统进行1∶500数字带状地形图测制和道路施工放样。该系统精度指标为:20 km以内水平10 mm+1 ppm,高程20 mm+1 ppm;20～40 km,水平20 mm+1 ppm,高程40 mm+1 ppm. 全站仪采用俫卡TPS1202型号,测角精度:2";测距精度: 2 mm+2 ppm×D;所采用软件为南方“工程之星3.0”和Cass7.0数字成图软件。

3.2 1∶500数字带状地形图测制

带状地形图测量同样遵循“先控制、后碎步”的测图原则,其首级控制网点成果及施工坐标转换参数由甲方提供,施工放样前对其进行了复测,复测结果在误差规定范围之内。加密控制测量、碎部点测量均使用单基站CORS-RTK作业模式,数字带状地形图的平面和高程精度检查按下列公式[7]:

(1)

高程中误差

(2)

带状图测绘完成后,在地形图中均匀选取一些明显特征点,如房屋角点、涵洞、桥墩和道路折点等作为检测点,采用常规测量方法进行检测,其中平面点检测坐标由全站仪极坐标法回采所得,高程由四等水准测量获得。

限于篇幅,仅给出部分检测结果。统计结果如表1所示。由表1数据,由式(1)、式(2)计算可知数字带状地形图平面精度为Mx=2.8 cm,My=3.1 cm,Mh=4.2 cm,符合本道路测量精度要求。

3.3 道路中桩放样测量

路线中线施工放样就是利用测量仪器和设备,按设计图纸中的各项元素(如公路平纵横元素)和控制点坐标(或路线控制桩),将公路的“中心线”准确无误地放到实地,指导施工作业。中心线路实际上是由空间的直线段和曲线段组合而成,传统放样方法主要有拔角放线法、支距放线法、全站仪极坐标法及常规RTK方法等。采用南方单基站CORS系统及软件“工程之星3.0”放样时,非常便捷,放样时,可将设计好的已知坐标导入手簿,按放样点的方法进行;如果道路中线坐标未知,可按将道路设计条件输入手簿,由手簿所提供的解算软件按一定的里程进行主点和细部点的坐标解算,然后按点的放样方法进行放样。具体过程可参阅操作手册。

利用上述方法将道路中桩放样于实地后,用全站仪进行精度检测,部分检测结果如表2所示。由表2可知,中桩放样的X最大误差为3.3 cm,Y最大误差为4.4 cm,H最大误差为4.8 cm,均在规定限差之内。

表1 1∶500数字带状地形图测量精度统计 (单位:m)

表2 单基站CORS-RTK的中桩放样精度统计 (单位:m)

4 结束语

使用传统测量方式进行大比例尺地形图测制及道路施工放样时,存在工作繁琐,测量周期长,工作效率低等诸多问题。CORS技术以其工作效率高、实时灵活、高精度的优点,逐渐替代了原有的传统测量方法。本文采用单基站CORS-RTK进行道路工程测量,最大限度地减轻了工作量,工作效率大幅提升,测量精度符合要求,保证了工程效益。

[1] 黄俊华,陈文森.连续运行卫星定位综合服务系统建设与应用[M].北京:科学出版社,2009.

[2] 陈俊勇,党亚民. 全球导航卫星系统的进展及建设CORS 的思考[J].地理空间信息,2009,7(3):2-3.

[3] 王智超. 单基站CORS-RTK精度测试与分析[D].大连:大连理工大学,2013.

[4] 毕京学,郭英,张鼎凯,等.基于CORS的高精度实时坐标转换方法探究[J].测绘科学,2015,40(1):98-100.

[5] 尚洪俊.CORS系统的构建及其在矿山测量中的应用[D].北京：中国地质大学(北京)工程,2014.

[6] 魏瑞娟,李学军,任维成等.单基站CORS的建设与应用研究[J].测绘通报,2010(6):25-26.

[7] 潘正风,杨正尧等.数字测图原理与方法[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

Application of the Single Base Station CORS-RTK in Road Engineering Surveying

LI Yanjun,GONG Zhenchun,LI Xiangquan,SHI Xiaotao,LI Chunlin

(61243Troops,Lanzhou730020,China)

Compared with the normal RTK, Multi-base Station CORS and network RTK, the single base station CORS has particular superiority. This paper briefly introduces the structure, principle, advantages and disadvantages of the single base station CORS. Combining with municipal road engineering examples, it mainly gives the processes, results, precision of 1∶500 digital topographic maps surveying and road setting out, The practical application of Single Base Station CORS-RTK can obviously improve work efficiency and satisfy accuracy demand.

Normal RTK; multi-base station; single base station; CORS-RTK; road engineering surveying

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.015

2016-09-26

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0067-04

李燕军 (1973-),男,工程师,主要从事航测外业和工程测量。

龚真春 (1973-),男,高级工程师,主要从事大地测量和GNSS导航定位方面的研究。

李相全 (1970-),男,工程师,主要从事航测和工程测量。

石小涛 (1979-),男,工程师,主要从事航测和工程测量。

李春林 (1978-),男,工程师,主要从事大地测量。

联系人: 龚真春E-mail:1076695185@qq.com