GPS RTK技术及其在南水北调工程施工测量中的应用

摘　要：介绍了GPS系统，重点介绍了GPS RTK技术的原理、组成、特点、使用方法等；并总结了GPSRTK技术在南水北调工程施工测量中的应用。

关键词：GPS;GPSRTK;南水北调工程施工测量
　　近年来，全球定位系统（GPS）以其高精度、速度快、经济方便等优点，在布设各种形式的控制网、变形监测及精密工程测量等诸多方面得到了迅速、广泛的应用，国内外大量的GPS测量实践证明，它的平面相对定位精度已达到0.1—1ppm甚至更高；GPS RTK以其定位精度高、效率快、不要求点位相互通视、自动化程度高、误差积累小、测绘成果统一、操作简单、全天候等优点，在测绘各个领域被广泛应用。本文给出了GPS RTK技术应用于南水北调工程施工测量的基本方法，并结合具体的工程实践提出了RTK作业过程中技术路线及不可忽略的几个关键技术。
1. GPS系统
　　GPS是全球定位系统（Navigation SatelliteTiming and Ranging/Global Positioning System）的英文缩写，它的含义是利用卫星的测时和测距进行导航，该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性、和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。经多年国内外多部门的使用表明，GPS已成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
2. GPS RTK技术
　2.1实时动态（RTK）定位技术简介
　　实时动态（Real Time Kinematic,简称RTK）测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS（RTD GPS）测量技术，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。众所周知，GPS测量工作模式已有多种，如静态、快速静态、准动态和动态相对定位等。但是，利用这些测量模式，如果数据传输系统相结合，其定位结果均需通过观测数据的测后处理而获得。而RTK技术是在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它的出现为工程放样、地形测图等测量带来了新的曙光，极大地提高了外野作业效率。
　2.2 RTK技术的基本原理
　　RTK技术的基本原理是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续的观测，并将其观测数据，通过无线电传输设备，实时地发送给流动站。在流动站上，GPS接收机在接收GPS信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时的计算并显示流动站的三维坐标及其精度。
　2.3 RTK系统的组成
　　RTK系统主要由基准站接收机、数据链及移动站接收机三部分组成。它是利用2台以上GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在固定点上做为基准站，另一台用来测定未知点的坐标。
　2.4RTK技术的作业步骤
　　（1）设置基准站
　　首先，将基准站的设备连接，然后，如果作业区域的坐标系统是标准坐标系统（北京54、国家80 或WGS84），您可以使用求转换参数或七参数方法作业。求转换参数方法作业时基准站不必架设在已知点上，可在测区中心选择一个位置较高、视野开阔、交通便利的地点架设基准站。位置高有利于增加电台传输距离，视野开阔可以确保接收卫星正常。仪器架设好后开机接收卫星，锁定卫星（卫星灯由闪烁转入长亮状态）后即可设置基准站。可以使用手簿设置基准站。
用七参数方法作业时主机要架设在已知点上，由于需要向主机输入已知点坐标，所以必须使用手簿设置基准站。
　　（2）设置移动站
　　手簿通过蓝牙或电缆连接移动站主机，设置坐标系统、投影参数等。在解类型为固定解时，到两个已知点测量GPS坐标并计算转换参数。
　　（3）检查和测量
　　 计算完转换参数后，建议到第三个点检查测量坐标是否与该点的已知坐标相符，平面坐标差值不超过±2cm，高程差值不超过±4cm。相符则可以开始测量，不相符应分析原因，重新求解转换参数。造成坐标不相符的原因一般有：
　　a、三个点的坐标有一、两个不正确，或点的位置发生偏移，或不
在同一个坐标系统。
　　b、已知点坐标输入错误。请检查手簿已知点坐标库。
　　c、未计算高程拟合参数或计算步骤不正确。
3 工程应用
　3.1 工程概况
　　南水北调中线一期工程总干渠漳河北至古运河南（委托河北建设管理项目）土建施工SG13标（鹿泉段），起点位于元氏县和鹿泉市交界处后黄家营村，终点位于石家庄市和鹿泉市交界处台头村；起点总干渠桩号212+180，终点总干渠桩号为(224+966)。SG13标段全长12.786km，其中渠道长11.459km、建筑物(占用水头)长1.327km。鹿泉市段总干渠设计流量为220m3/s，加大流量为240m3/s；起点设计水位为78.174m，终点设计水位为77.218m，总水头差为0.956m。渠道、各类交叉建筑物及及控制建筑物等主要建筑物为1级建筑物，附属建筑物、河道防护工程及河穿渠工程的上下游连接段等次要建筑物为3级建筑物。
　　SG13标（鹿泉段）共布设各类交叉建筑物22座，包括大型河渠交叉建筑物3座，左岸排水建筑物4座，渠渠交叉建筑物4座，控制工程4座(分水口门1座，节制闸和退水闸各1座、排冰工程1座)，公路桥7座。本标段土方开挖量为557.92万m?，土方填筑183.77万m?。
  3.2 RTK施工应用
　　（1）地形图测绘
　　 对于研究区域内的地形图绘制我们利用一台基准站，一台移动站沿渠道沿线及各个构筑物局部地形的测绘，对于一些地形低洼的地区由于GPS信号较弱我们采用全站仪与RTK相结合的方式进行局部测绘。
　　（2）放样
　　在本工程施工中，放样工作主要是建筑物结构线和建筑物、渠道开挖线渠道堤坝填筑，GPS-RTK主要用应在建筑物、渠道开挖和渠道填筑施工中，在放样之前，首先把渠道和建筑物等放样线根据蓝图控制点坐标和相对几何关系绘制在CAD电子图上，然后根据需要在电子图上取放样点数据，再把数据格式转换到中海达GPS所需的格式，并通过电脑传输到手簿中。在放养过程中，手簿中实时显示移动台所处位置距所放点位的东西南北距离和高差，我们根据手簿中的指示快速移到所放点位置，从而方便快捷指导渠道的施工。
　　（3）纵横断面测量
　　本工程包括了桥梁、渠道和倒虹吸等多个分项工程，纵、横断面测量工作量大、工期紧、精度要求高，若采用常规的地面测量方法，不仅效率低，而目很难保证测绘成果质量。本项目 中采用 RTK 技术，按照中心桩号进行纵横断面测量的方法进行放样、收方，这样既保证了精度又节省了时间、人力物力，提高了效率。
  3.3应注重的几个关键技术方面
　　应用GPS RTK技术进行定位测量时，其误差一般可以分为以下几种类型：与卫星有关的误差；信号传播过程中的误差；观测误差和地面接收设备的误差；采用软件的数学模型误差。
　　针对以上误差，结合RTK工作的特性，在具体实践中应该注意解决以下几个关键技术问题。
　　（1）在工作开展前，应先做星历预报分析，且尽量挑选卫星数多、卫星图形结构好的时段进行作业；尤其在电磁波密集的大中型城区作业时，应做电台信号传播试验，选择适当的频点以避免TRK电台信号被其它电磁波信号干扰。
　　（2）基准点应安置在地势高、对天通视条件好的高等级控制点上，有利于基站卫星信号的接收和电台数据链的发射。
　　（3）选用质量好的接收机和数据处理软件，能够较好的降低因接收设备带来的误差。而好的数据处理软件能通过有效模型改正，削弱大部分与卫星有关的误差和信号传播过程中带来的误差。
　　（4）多进行检测，包括已知点检测和异站重点检测，这是保证RTK数据可靠性的有效方式。
　　（5）求解准确的地方坐标系转换参数。GPS RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的，而工程实践中多是在1954年北京等地方坐标系中进行的，这就存在坐标系转换的问题。条件许可的情况下应尽量联测均匀分布于测区的地方坐标系已知点以求得高精度的测区地方坐标系转换参数。
　　（6）初始化的问题。RTK设备一般都支持动态初始化，在作业过程中应时刻注意整周模糊度处于固定状态。对于厘米级要求的RTK作业，浮动解的精度都是不可靠的。
4.结语
　　RTK技术通过在如南水北调中线工程等特大型工程中的大量实践，尤其是长距离的线路定线测量，拥有常规测量技术无法比拟的优越性，主要体现在以下几个方面。
　　（1） GPS-R T K 技术在渠道施工测量中具有优越性，特别是对于土石方渠道开挖的作业，可方便的完成横断面复测、渠道中、边桩放样等工作，需要的人力少，定位精度高，放样速度快、控制距离长、测站间无需通视，在没有现成基准控制点或基准被破坏而造成的控制点不足的地方，或由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区能进行高精度的定位计算。
　　（2） 综合测绘能力强，对作业条件要求不高，数据输入、处理、存储能力强，与计算机通信方便，易实现自动化作业，操作简单，容易使用。对于渠道施工中作业量最大的边桩放样，只需把电子图上所取得放样点传输到手簿中，测量人员即可在走动中实现随机、动态的边桩放样，不用任何现场计算操作，方便了施工测量的放样。
　　（3） 实现实时检核，成果可靠性增强。实施过程中随时对已知点进行检测，也可方便地实现异站重点检测等。
　　（4） 误差不累积、不传播，精度高。对于线路较长的引水工程，平面及高程精度均能满足设计要求。
参考文献:
[1]徐绍铨、张华海、杨志强、王泽民编著：GPS测量原理及应用（修订版），武汉大学出版社，2003
[2]水利水电长江葛洲坝工程局主编：水利水电工程施工测量规范SL52-93，水利电力出版社，1993
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[4]刘基余、李征航、王跃虎、桑吉章编著：全球定位系统原理及应用，北京测绘出版社，1992
[5]周忠谟、易杰军编著：GPS测量原理与应用，北京测绘出版社，1992