GPS-RTK技术在道路工程测量中的实践分析

2021-12-09李昆

运输经理世界 2021年9期

李昆

（江西省地质局物化探大队，江西南昌330000）

1 GPS-RTK 系统的组成、工作原理及误差来源

全球定位系统(GPS)由1 组卫星和1 个地球观测系统组成。用户还必须拥有卫星接收设备。GPS 卫星系统由24 颗卫星组成，高度约为20000km，均匀分布在6 个轨道平面上。每个平面的交角为60o，轨道与赤道的倾角为55o，卫星自转周期为11 小时58 分钟，保证4～11 颗卫星同时在地平线之上，可以随时随地获取数据。GPS 地面控制系统由1 个主控站、3 个注入站和5 个监测站组成。主控站根据各站GPS 监测数据计算出卫星星历和卫星时钟校准参数，并通过注入站将这些数据注入卫星，同时对卫星进行监测并发送指令。

GPS-RTK 技术是一种基于载波相位测量的实时差分GPS 测量技术，它结合了载波相位测量和数据传输技术。GPS-RTK 技术是GPS 测量技术发展历程的标志，也是一种学术性的定位技术。两个或多个GPS接收器用于同时接收卫星信号，一个放置在称为参考站的坐标点，另一个用于确定未知点（移动站）的坐标。参考站根据该点的精确坐标计算与卫星距离的修正数，并将其发送到移动站。移动台根据修正数对定位结果进行修正，可以大大提高定位精度。它为站点的特定坐标系提供实时3D 定位结果，可达到厘米级精度。GPS-RTK 技术定位误差一般分为两类：硬件干扰误差、距离误差。硬件干扰误差包括天线相位中心、多径误差、信号干扰和气象因素。距离误差包括轨道误差、电离层误差和对流层误差。对于固定参考站，可以进行各种修正以减少设备相关的误差和干扰，但GPS-RTK 的有效工作半径是有限的（通常为几公里）。因为与距离相关的误差随着距离的增加而增加，移动站与参考站之间的距离也增加。许多与距离相关的误差可以通过多参考技术消除。

2 GPS-RTK 的技术特点

在正常地形下，高质量的GPS-RTK 技术可以测量一个半径为4km 的区域，大大减少了日常调查所需的参考点和测量仪器的数量。移动台可单人操作，劳动强度低。工作速度快，工作效率高。只要满足GPS-RTK 技术的基本条件，在一定的工作半径（通常为4km）内，GPS-RTK 的平整度、精度和高距离精度都可以达到厘米级。GPS-RTK 测量不需要参考站和移动站之间的视野，只需要电磁视野。因此，与之前的测量相比，GPS-RTK 测量受能见度、天气和季节性条件的影响和限制都很低。只要满足GPS-RTK 基本的运行条件，就可以实现高速度、高精度的定位，测量过程变得更加容易。GPS-RTK 是一种不同类型的调查，它可以在户外工作。移动台采用软件控制系统，自动实现各种测量功能，无须人工干预，减少了额外的测量工作和人为误差，保证了操作的准确性。现有设备一般可以在安装过程中通过简单的调整，轻松获得二维坐标。它具有强大的数据输入、存储、处理、转换和输出功能，可以方便地与计算机等测量仪器进行通信[1]。

GPS-RTK 测量技术主要来源于载波相位，将载波相位的观测值与相应的数据传输技术有效结合，实现相关数据的动态测量、采集和传输。该技术弥补了GPS 技术在静态测量期间，无法及时交换信息的不足。具有整体测量精度高、自动化程度高、集成度高、操作方便等优点。GPS-RTK 系统大致分为三个部分：一是基站的中心部分，用于接收数据信息和协调系统；二是数据通信链路，主要功能是传递信息；三是对相关数据进行移动监测的移动站，可以使用其他软件来处理相关的测量数据，但必须满足实际需要，主要是坐标系与远距离系的转换功能、绘图功能、支付质量状态分析、接收方坐标计算，对应结果的表达等。

3 GPS-RTK 技术的局限性和精度保障

当然，GPS-RTK 技术也有局限性，影响其执行上述测量的能力。了解这些限制可以确保GPS-RTK 调查成功。最大的限制是GPS 系统作为一个整体，而不是GPS-RTK 本身。如上所述，GPS 依赖于从20000km 以外的卫星接收无线电信号，这些信号频率高，信号弱，难以穿过卫星和GPS 接收器之间的障碍物。事实上，GPS 接收器和卫星之间的任何东西都会对系统的运行产生不利影响[2]。

4 GPS-RTK 技术在实际测量中的应用

4.1 在大比例尺地形图绘制中的应用

该项目的地形图以1∶1000 的比例绘制。使用GPS-RTK 测量技术时，首先要选择一个测量点。一旦满足使用要求，使用该技术测量对象上每个点的三维坐标并嵌入测量后代码，绘制带有功能信息的地形条形图，使最终测量结果一目了然，最后通过专门的计算机图形软件显示。从大型条纹地形图（通常比例为1∶2000 或1∶1000）中选择高质量的道路路线。传统的测绘方法劳动强度大、速度慢、耗时长，首先需要建立控制网，其次进行详细测量，最后才能绘制大比例尺的地形图。使用动态实时GPS 测量训练断点数据，可以使用内部绘图软件进行绘图。由于只采集断点坐标，输入属性信息，采集速度快，大大降低了绘制难度，节省了时间和精力。

静态缩放是使用GPS 创建控制网络最准确的方法。固定比率最适用于控制大型建筑物，如大型桥梁、隧道和十字路口。在一般道路技术控制措施中，可以使用GPS-RTK 动态冠轮。该方法在测量过程中实现了实时定位精度。当达到要求的点精度时可以停止监控，大大提高了工作效率。因为不必在点之间查看，使测量变得更容易。道路选择过程往往遵循勘察设计规范，以尽量减少占用耕地、减少房屋拆迁和使用旧路平台为原则。为正确设计道路路线，满足设计要求，GPS-RTK 技术允许用车载GPS-RTK 接收机作为移动站，沿道路中心线以特定间隔采集数据，形成原始路线。另外以“已知点是参考点”，当遇到一个重要的地方时，它会将数据发送到计数计算器。用AutoCAD 在电脑上确定路线非常方便，设计者在大比例尺的地形图上画线后，需要从地面确定道路的轴线，得到坐标和坐标文件。只要将航点的坐标和坐标文件输入电子GPS 指南中进行测量，系统软件就会自动识别这些点的关键样本点。由于每个点都是独立测量的，所以没有累积误差，每个点的采样精度趋于相同。

4.2 在道路中线放样中的应用

大地形图绘制完成后，需要标记道路的中心线。在具体的应用过程中，利用GPS-RTK 技术对各种中桩点的坐标进行统计工作，实时测量，由计算机识别并显示采样点的位置。在这个过程中，每个参与测量的部件都是独立的，最大限度地减少了误差。本例中几何测量线多为曲线，直线很少，需要有效控制终点和起点的方位角，即感兴趣点的输入相位，以保证兴趣点[3]。

4.3 在土石方和道路断面放样中的应用

在连接纵截面的过程中，需要准确记录试验数据，并输入相应的计算机，创建监测点记录，可随时作为参考，提供现场测量帮助。在横断面放样的过程中，确保建筑模型和相关数据可以同时输入，数据与实际情况相符，妥善保存，以供现场测量使用。另外，利用软件和地面衔接的功能进行，按照剖面法准确计算开挖量。整个测量的数据基于测绘地形图的性能，减少了测控过程中不必要的程序和外部操作的工作量，提高了工作效率。最终审核流程使用GPS 完成，节省测绘的时间。

在大条形地形图上放置线条后，设计师必须校准地面布局。对于动态GPS 测量，系统只需将中心线上关键点的坐标输入GPS 接收器即可确定监测点。一旦确定了高速公路的中心线，桩中心点的坐标和绘图软件就可以用来提供轨道的轮廓和桩点的每个部分。使用的所有数据都是在地形测量期间收集的，无须到现场进行垂直和水平测量。因此，现场工作大大减少。如果需要在野外进行横截面测量，也可以使用动态GPS 测量。与传统方法相比，该方法在精度、经济性和实用性方面具有明显优势。动态GPS 拥有强大的硬件和丰富的软件。施工过程中点、线、面、坡的观察非常方便快捷，精度可达1cm。通过动态GPS 测量技术的不断发展和完善，将充分利用该技术的高精度和高效性，在高速公路的开发建设进程中发挥更加重要的作用。