浅析GPS RTK在山区铁路测量应用中的几项问题

浅析GPS RTK在山区铁路测量应用中的几项问题

摘要介绍GPS RTK测量在皖赣铁路勘测中的应用，结合在实际工作中碰到的问题分析GPS RTK测量的作业原理，总结出在山区铁路测量中影响RTK测量的制约因素，并得出一些有益的结论。

关键词RTK；整周模糊度；数据链；生产组织

GPS RTK（GPS Real Time differential Kinematic survey）是以卫星定位系统GPS载波相位观测量为依据的实时差分测量技术。其工作原理是基准站实时地将测量的载波相位观测值、伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送给运动中的流动站，在流动站通过无线电接收基准站发射的信息，将载波相位观测值实时地进行差分处理，得到基准站和流动站之间的坐标差△X，△Y，△Z；坐标差加上基准站坐标得到流动站的每个点的WGS84坐标，最后通过坐标转换参数转换求出流动站每个点的平面坐标x，y和海拔高度h。RTK可以应用于控制测量、工程放样、地形图测绘等工作，已涵盖大地测量、GIS、变形观测、水上测量、环境应用等多个领域。RTK技术的关键在于数据处理和数据传输技术。在山区铁路勘测中影响RTK测量的制约因素主要有三个方面：①求解起始的整周模糊度（初始化）；②基准站与流动站之间的数据传输；③合理的测量生产组织。本次结合皖赣铁路电化扩能项目测量对这三项关键问题进行初步的分析。

1整周模糊度的确认

整周模糊度的确认，俗称就是RTK定位初始化。RTK一般采用星站差分观测值（即双差），其观测方程为：

λ·ΔΦ=Δρ+Δdρ+λ·ΔN-λ·Δdion+λ·Δdtrop+Δdhφip+εΔΦ（1）

式中Δ为双差因子。该式模型采用差分的方式可以抵消星间误差、站间钟差，是RTK的主要的算法。目前应用最多的为OTF算法，它是在流动站近似坐标和协方差的基础上确定整周模糊度的搜索空间，在此空间内计算所有的可能模糊度解，然后通过比较最小方差选择最大优解和次优解，最后确定整周模糊度。它能在1秒内确定模糊度，对于失锁后再次锁定速度将会更快。要确定整周模糊度，必须有合适的PDOP值。在皖赣线铁路新线测量项目中，利用Trimble 5800 RTK作业时，就遇到下面的情况：基准站与流动站均成功捕获6颗以上卫星，无线电接收良好，但获得初始化时间很长；经检查发现，虽然有6颗以上的卫星，但有的卫星高度角低，而且信号极其不稳定，容易造成无线电信号失锁。经过长时间的野外实际作业经验发现，PDOP值越小，解算整周模糊度的速度就越快，而且精度越可靠，因此在山区铁路测量应选择初始化能力强，初始化所需时间最少的RTK机型。

2数据链的通信传输

2.1RTK数据传输采用UHF波

RTK采用超短波进行差分数据传送。超短波主要是超高频UHF波和甚高频VHF波，UHF波长为1~0.1m，通常称为“分米波”；VHF波长为10~1m，通常称为“米波”。这两个波段广泛应用于电视、调频广播、微波通信和雷达等设备，当前的RTK通讯主要采用UHF波，Trimble 5800 GPS的频段范围为410~420MHz，共占有10MHz的频带；Leica GPS的频段范围规定为450-470MHz，共占有20MHz 的频带，频宽意味着信息容量大，应用更广泛。另外高效的收、发天线均采用1/2波长的半波振子天线，如果天线长度与波长不相称，将直接影响传输距离。UHF的波长短，因此UHF天线长度比VHF天线更短，发射机天线更便于安装，小巧的天线更便于野外作业。

2.2RTK数据传输的距离

RTK数据传输距离是RTK应用的关键，传输距离的大小决定了其性能的优劣。RTK采用UHF波进行数据传输，传播的方式主要是空间波，即直射波、折射波、散射波以及他们的合成波，空间波的特点是穿透性强，直线传播性强，但容易受地形、高障碍物和地球曲率的影响。RTK数据传输距离和测站高度的关系式为：

（2）

其中：h基准站、h流动站分别是基准站和流动站的GPS天线高度比工作地区地面高出的部分，单位为米；D为数据传输的距离，单位为公里。当然这是在测区无高障碍物遮挡和无电磁波干扰等理想条件下的传输距离，在实际应用中由于多种因素的影响，RTK的传输距距离会比理论传输距离小很多。

2.3RTK数据传输的改进

由于RTK测量时采用无线通信的方式进行数据传输，这决定了其数据传输条件的复杂、多变以及不确定性。所以要在这样的传输条件下保证数据传输的质量，就必须采取各种技术措施来抵消信号衰减的不利影响。最佳通信系统=最佳发射机+最佳接收机+最佳通信路径，只有三者综合考虑才能将RTK数据传输性能设置到最佳状态。在外业进行RTK测量时，通常采用下列解决办法：

1）把基准站布设在RTK有效测区中央最高的控制点上；

2）提高基准站和流动站天线的架设高度；

3）使用高增益天线及高灵敏度接收机。山区铁路新线测量的特点是地形起伏很大，同时许多地方树林密集，灌木丛生，陡崖峭壁众多，而GPS数据传输主要是采用直线传播，很容易受障碍物，地形和地球曲率的影响，在这些影响条件都相同的条件下，最主要改进RTK数据传输的办法如下：

1）缩短各点到基准站的距离，当基准站与流动站的距离较远时，基准站就必须搬迁。在山区铁路测量中，由于各种主要干扰源比如密集的树林，通信公司的信号塔，高压电线产生的电流磁场等都能使得信号衰减很快，缩短各点到基准站的距离可以很大程度上抵消数据链信号的衰减，因此基准站与流动站之间的距离是越短越好。

2）架设多个基准站的方法。比如用一个基准站控制4个流动站，1个流动站需完成2km的工作量，假设基准站架在中间的情况下，单边也需控制4km的通信信号，这对1个基准站在皖赣山区铁路新线测量来说是很困难的；但是如果在同样工作量的地方假设2个基准站，那么一个基准站只需要控制2km的通信信号，这样很大大缩减了基准站和流动站之间的距离，这种方法的好处是显而易见的。但是采用这种方法成本高，无论是设备还是生产成本都相对较高。

3）架设中继站的方法。中继站的主要功能就是减缓基准站信号的衰减，延长RTK数据传输的距离，当地形、地物遮挡时，另增设中继站的方法是我们在山区RTK测量中应用最广泛的，不仅成本低，操作简单，而且灵活方便。

3测量的生产组织

皖赣铁路新线线位多处于山区密林中，特殊的地形、地理、气候及交通等因素影响着测量进度，不管是野外实地数据采集到内业资料处理，还是到质量控制等，都要求有一套较为完整的作业程序，经过2010年皖赣铁路扩能改造工程测量中遇到的问题，我认为制约在山区铁路RTK测量生产进度的最主要的因素如下：

1）与项目勘测指挥部的沟通。测量工作在铁路设计过程中一般都在最前面，在野外作业时遇到的各种问题和困难也是最先体验，这就要求测量工作的组织者要求及时与指挥部的领导联系，反映生产中遇到的困难和问题，取得勘测指挥部与设计总体组的支持，为测量工作的后续生产排忧解难。反之，也要求指挥部及时下达各种生产指示。

2）日常测量任务的安排。在2010年皖赣铁路扩能改造工程测量项目中，发现经常出现工作任务安排不尽合理的情况，从而导致影响生产进度的情况发生。例如：每个测量班组一般情况下一天可以完成2km的工作量，但是在地形复杂地区，完成1km工作量就是很好的结果了，有的甚至只能完成几百米；而且所用的GPS仪器是2004年采购的，个别机子已经出现老化的情况，能控制的数据传输距离也大大缩短，这就要求任务的安排更加合理。

3）野外作业时的调整。RTK测量是一个整体配合作业的过程，特别是在山区复杂地形条件下作业，由于地形或地物遮挡经常会出现卫星信号被阻挡，无线电信号失锁等情况，这就要求野外测量组织者及时根据现场的作业环境灵活的安排调度中继站，这样才能顺利完成当天的工作。另外基站搬站后，检核的工作非常关键，一定要在开始测量前先重测1-2个已知点或已测的RTK测量点，确认无误后再进行测量。