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RTK测量技术在公路测量中的应用

摘 要:常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real-time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率【1】。 本文简要介绍了GPS RTK的基本原理，GPS RTK的优点，介绍了利用该技术进行工程实测的过程。根据平差学理论及相关规程、规范对测量精度进行了一定的比较和分析，总结得出RTK测量的误差特性和一些有益的结论和体会。
关键字：RTK，GPS，公路测量，原理，数据转换

一、 引 言
随着我国经济快速发展铁路建设速度也不断加快。公路工程有其自身特点：长条状，坡度多，在施工测量工作中对测量控制网的布设带来诸多困难，常规控制测量既要考虑网行，点的密度，RTK技术运用在实际工程测量中不仅提高了测量精度缩短了施工工期，而且还节约了工程成本。
RTK技术应用于铁路测量是外业勘测的一项重大技术革命,其应用及开发的前景十分广阔。尤其实时动态(RTK)定位技术在铁路测量中蕴含着巨大的技术潜力。
二、 RTK测量系统的组成
RTK测量系统的组成主要包括空间部分，外业测量操作和内业处理。
空间部分是基于GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。【3】不过由于俄罗斯的定位系统缺少维护已经无法使用，而其他的系统又大部分是区域系统，所以现在常用的系统是美国的全球定位系统GPS(Global Positioning System)。
外业测量是一部RTK（双频动态GPS接收机）接收机。基本配置包括2部分。（1）基准站：双频GPS接收机、GPS天线、数据链发送电台、天线、电源、脚架、联接线等；（2）流动站：双频GPS接收机、GPS天线、数据接收电台、操作手薄、对中杆等；
内业处理，使用支持RTK测量数据的各种应用软件对外业得到的数据进行内业处理，得到需要的结果。

三、 GPS及我国北斗的发展现状
传统工程测量技术的服务领域包括建筑、水利、交通、矿山等 部门， 其基本内容有测图和放样两部分。 现代工程测量己经远远突破了仅仅为工程建设 服务的概念，它不仅涉及工程的静态、动态几何与物理量测定，而且包括对测量结果的 分析，甚至对物体发展变化的趋势预报。苏黎世高等工业大学马西斯教授指出：“一切 不属于地球测量，不属于国家地图集的陆地测量，和不属于法定测量的应用测量都属于 工程测量”。随着传统测绘技术向数字化测绘技术转化，我国工程测量的发展可以概括为“四化”和“十六字”，所谓“四化”是：工程测量内外业作业的一体化，数据获取 及其处理的自动化，测量过程控制和系统行为的智能化，测量成果和产品的数字化。“十六字”是：连续、动态、遥测、实时、精确、可靠、快速、简便。
全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天侯、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位是GPS应用的两个方面；对常规测量而言相对测地定位是主要的应用方式。【4】
GPS测地型接收设备是实现测地定位的基本条件，接收机有单频与双频之分，双频机能以L2观测值修正电离层折射影响，最适宜于中、长基线(大于20km)测量，具有快速静态测量的功能，可升级为RTK功能；单频机适宜于小于20km的短基线测量，对于一般工程测量具有良好的性能价格比。
相对测地定位是利用L1和L2载波相位观测值实现高精度测量，其原理是采用载波相位测量局域差分法：在接收机之间求一次差，在接收机和卫星观测历元之间求二次差，通过两次差分计算解算出待定基线的长度；求解整周模糊度是其关键技术，根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK等作业模式。而RTK技术代表着GPS相对测地定位应用的主流。【5】
北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。
3.1 发展历程
卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。【6】2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。
3.2 建设原则
北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：1、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。2、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。4、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。【7】
四、 RTK技术测量技术原理
RTK（Real Time Kinematic）技术又称载波相位动态实时差分技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的技术。【8】它能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标，并达到㎝级精度要求。RTK测量系统一般由以下三部分组成：（1）GPS接收设备。（2）数据传输设备：即数据链，是实现实时动态测量的关键性设备。（3）软件解算系统：对于保障实时动态测量结果的精确性与可靠性，具有决定性作用。RTK定位技术的作业原理是将基准站采集的GPS卫星载波相位观测量通过调制解调器进行编码和调试，经电台数据链发射出去。而移动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时，也接收来自基准站的电台信号。移动站通过解调得到基准站的载波相位观测量，再利用OTF技术对由基准站和移动站采集的载波相位观测量所确定的差分改正数动态求解整周模糊度。在整周未知数解固定后，即对每个历元进行实时处理。【9】只要能保证4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的卫星几何图形，移动站可根据给定的转换参数进行坐标系统的转换，从而实时给出㎝级的定位结果。

五、 RTK测量学的优缺点
1. 彻底摆脱了由于粗差造成的返工，提高了GPS作业效率。
2. 作业效率高，每个放样点只需停留1～2s，流动站小组作业，每小组(3到4人)可完成中线测量5～10km。若用其进行地形测量，每小组每天可以完成0.8～1.5km的地形图测绘，其精度和效率是常规测量所无法比拟的。
3. 在中线放样的同时完成中桩抄平工作。
4. 应用范围广，可以涵盖公路测量(包括平、纵、横)，施工放样，监理，竣工测量，养护测量，GIS前端数据采集诸多方面。
5. 如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。
6. 实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度的测量成果(包括高程)。

六、 结束语
基于以上材料，我的论文从介绍现在GPS的状况及我国北斗导航系统的发展情况，然后简要介绍GPS定位的原理，介绍GPS的优缺点，GPS RTK在公路测量学中的使用步骤，RTK 测量中的误差来源，减小误差的方法，与传统测量学的比较，得出GPS RTK技术在公路测量中的应用与传统测量的优势，可以高效、高精度地完成公路平面控制测量；生产过程中采用常规方法和GPS技术相结合，整个生产流程可以极大地提高生产效率的结论。
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参考文献

［1］徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民 测量原理及应用 武汉测绘科技大学出版社
［2］刘基余，李征航，等全球定位系统原理及其应用 北京：测绘出版社
［3］徐绍铨，张华海，等 测量原理及应用 武汉：武汉测绘科技大学出版社
［5］徐绍铨,扬志强,等.GPS 测量原理与应用[M].武汉：武汉测绘
科技大学出版社,1998.
［6］高涛,安许东. GPS技术在公路测量用的应用[J]. 河南科技,
［7］王彩霞,薛建成. GPS 在公路测量中应注意的问题[J]. 交通标准化
［8］交通部第一公路勘察设计院.JTJ/T 066-98 .公路全球定位系统（GPS）测量规范[S].北京：人民交通出版社,
［9］刘基余,李征航,王跃虎,等.全球定位系统原理及应用[M].北京:测绘出版社
［10］中华人民共和国交通部,公路勘测规范[M].北京:人民交通出版社
［11］陈小明 动态定位的理论与实践 武汉：武汉测绘科技大学，
［12］王增学 如何提高GPS在工程测量应用中的精度 深圳市工勘岩土工程有限公司
［13］Zhao Wanqiang,Gao Bo,Lin Anlin, Guang du synthetical environmental effect analysis of tunnel portal engineering Southwest Jiao tong University
［14］Bras R L and Rodriguez-Iturbe I 1985 Random Functions and Hydrology (Reading, Mass.: Addison Wesley),pp. 359–425.
［15］Christakos G 1984 On the problem of permissible covariance and vario-gram models; Water Resour. Res.20(2)251–265.