公路测量中PTK技术的应用分析
殷耀坤
（甘肃省酒泉公路管理局实验检测技术服务中心，甘肃 酒泉 735000）
【摘要】GPS在公路勘测中的应用,对高等级公路的勘测手段和作业方法产生了革命性的变革,极大地提高了勘测精度和勘测效率,特别是实时动态(RTK)定位技术将在公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景。并介绍了GPS系统中RTK技术在公路测量中的应用。
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关键词 RTK技术；公路测量；应用；GPS
美国从1973年开始筹建全球定位系统GPS（Global Positioning System)。在进过了方案论证、系统试验阶段后，于1989年开始发射正式工作卫星，并于1994年全部建成，投入使用。GPS系统的空间部分由21颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，地面高度为20000余公里，轨道倾角为55度，扁心率约为0，周期约为12小时，卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442兆 赫兹（L1波段）和1227.6兆 赫兹（L2波段），卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置 的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用 户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。对于测绘界的用户而言， GPS已在测绘领域引起了革命性的变化。
1RTK技术及其优缺点
1.1RTK技术的原理。
1）RTK（Real Time Kinematic ）实时动态测量系统，是集计算机技术、数字通讯技术、 无线电技术和GPS测量定位技术为一体的组合系统，是基于实时载波相位差分的实时动态定位技术，是 GPS测量技术发展中的一个新突破。RTK定位精度高，可以全天候作业，每个点的误差均为不累积的随机偶然误差。且外业操作简单，只需一人，属于真正的一人操作系统，其平面精度可以达1cm+1ppm，高程精度可以达到2cm+1ppm，完全可以满足公路测量的精度要求。
RTK 又可细分为修正法和差分法。修正法是将基准站的载波相位修正值发送给流动站 ,改正流动站接收到的载波相位,流动站再求解坐标，也称准 RTK;差分法是将基准站采集到的载波相位,发送给流动站,再由流动站求差解算坐标,又称真正的RTK。
2）RTK 是根据 GPS 的相对定位概念,将一台接收机放在已知点上 (称为基准站),另一台或几台接收机放在新点上(称为移动站),同步采集相同卫星的信号。在RTK作业模式下,基准站除了采集卫星数据外,还要通过数据链将其观测值和站点坐标信息一起传送给流动站。流动站在采集卫星数据的同时,还要接收来自基准站的数据链 ,并在系统内对采集和接收的两组数据,进行实时载波相位差分的处理,得出定位结果。并将这些观测值进行差分,从而削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等影响,将实时定位精度大大提高。并能进行实时处理，提供厘米级定位结果。
1.2RTK技术的优点
1）传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测,不仅费工费时,要求点间通视,而且精度分布不均匀,且在外业不知精度如何,采用常规的GPS静态测量、快速静态方法,在外业测设过程中不能实时知道定位精度,如果测设完成后,回到内业处理后发现精度不合要求,还必须返测,而采用RTK来进行控制测量,能够实时知道定位精度,如果点位精度要求满足了,用户就可以停止观测了,而且知道观测质量如何,这样可以大大提高作业效率。若把RTK用于公路控制测量则不仅可以大大减少人力强度、节省费用,而且大大提高工作效率,测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成；
2）在中线放样的同时完成中桩抄平工作；
3）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；
4）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)；
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）作业效率高，每个放样点只需要停留1～2s，流动站小组作业，每小组(3～4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0.8～1.5km2的地形图测绘，过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点,然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，其精度和效率于RTK测量是无可比拟的。
1.3RTK技术的缺点
1）控制测量：一些带有隐蔽性和遮挡地区却无法使用GPS技术。如在进行公路地下工程、隧道控制测量中地面首级网可以采用GPS技术，在地下施工控制方案中却无法采用。在森林处布设控制网，如果道路较窄而道路两旁的树木茂盛，GPS信号就会被遮挡而呈现断断续续，很难解算出符合精度要求的基线向量。建立居民区或工业区的控制网，采用GPS技术远没有应用全站仪方便。
2）碎部测量与放样：采用 RTK功能GPS接收机、或在局部差分系统下的碎部测量，可直接测定碎部特征。但如果测图区域为城建区，建筑物高大或民房密集。就会遮挡GPS信号，使得观测值产生周跳，破坏了整周计数的连续性，需要重新确定初始化求未知数。这样，影响观测工作的效率和成图精度，甚至会发生错误。如果在该区域施工放样，GPS卫星信号会被经常性地遮挡，以致放样工作断断续续。
3）高程测量：应用GPS定位技术不能直接测到地面点的正常高程，而只测到大地高程。如要确定地面点的正常高程，还必须要知道地面点的高程异常，这就限制了GPS技术在高程测量方面的作为。
4）卫星影响：可接受卫星数量（要求至少5颗）及高度角、方位角都会影响RTK测量精度，甚至会无法测量。要选取观察条件好的时段进行RTK测量，以保证测量的效率与质量。
2RTK技术的应用情况
RTK技术定位有动态定位和快速静态定位两种测量模式，两种定位模式相结合，在公路工程中的应用可以覆盖公路勘测、施工放样、监理和GIS(地理信息系统)前端数据采集。
1）动态定位测量前需要在一控制点上静止观测数分钟(有的仪器只需2～10s)进行初始化工作，之后流动站就可以按预定的采样间隔自动进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级。动态定位模式在公路勘测阶段有着广阔的应用前景，可以完成地形图测绘、中桩测量、横断面测量、纵断面地面线测量等工作。测量2～4S，精度就可以达到1～3cm，且整个测量过程不需通视，有着常规测量仪器(如全站仪)不可比拟的优点。
2）快速静态定位模式要求GPS接收机在每一流动站上，静止的进行观测。在观测过程中，同时接收基准站和卫星的同步观测数据，实时解算整周未知数和用户站的三维坐标，如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可以结束实时观测。一般应用在控制测量中，如控制网加密；若采用常规测量方法(如全站仪测量)，受客观因素影响较大，在自然条件比较恶劣的地区实施比较困难，而采用RTK快速静态测量，可起到事半功倍的效果。单点定位只需要5-10min(随着技术的不断发展，定位时间还会缩短)，不及静态测量所需时间的五分之一（静态测量需要45分钟），在公路测量中可以代替全站仪完成导线测量等控制点加密工作。
3影响RTK成果精度的因素
尽管常规RTK定位技术是目前最为广泛使用的测量技术之一，但它的应用受到一些误差源影响的限制，这些误差源从性质上一般可分为系统误差和偶然误差两类。系统误差包括：卫星星历误差、卫星钟误差、大气延时误差（包括电离层延时和对流层延时）以及天线相位中心变化等。偶然误差主要包括信号的多路径效应。除此之外，还受基线解算精度、基站点位精度、坐标系转换精度的影响，但在RTK作业中，基线解算精度可以达到10mm+1*10-6D；基准站点位精度平均在3cm之内；坐标系转换精度，对于10km基线在3cm以内，动态作业由于测距偏心，天线高误差等，一般在3cm以内。
4RTK技术在道路测量中的作用
4.1道路的横、纵断放样和土石方量计算
1）纵断放样时，先把需要放样的数据输入到电子手簿中(如：各变坡点桩号、直线正负坡度值、竖曲线半径)，生成一个施工测设放样点文件，并储存起来，随时可以到现场放样测设。
2）横断放样时，先确定出横断面形式(填、挖、半填半挖)，然后把横断面设计数据输入到电子手簿中(如边坡坡度、路肩宽度、路幅宽度、超高、加宽、设计高)，生成一个施工测设放样点文件，储存起来，并随时可以到现场放样测设。同时软件可以帮助你自动与地面线衔接进行“戴帽”工作，并利用“断面法”进行土方量计算。通过绘图软件，可绘出沿线的纵断面和各点的横断面图来。因为所用数据都是测绘地形图时采集而来的，不需要到现场进行纵、横断面测量，大大减少了外业工作。而且必要时，可用动态RTK到现场检测复合，这与传统方法相比，既经济又实用。
4.2道路中线放样
设计人员在大比例尺带状地形图上定线后，需将公路中线在地面上标定出来。采用实时GPS测量，只需将中桩点坐标输入到GPS电子手簿中，系统软件就会自动定出放样点的点位。由于每个点测量都是独立完成的，不会产生累计误差，各点放样精度趋于一致。道路路线主要是由直线、缓和曲线、圆曲线构成。放样时，只要先输入 各主控点桩号，然后输入起终点的方位角，直线段距离，缓和曲线距离，圆曲线半径，这样就可以很轻松放样了，而且一切工作均由GPS电子手簿来完成。这种方法简单实用，比起传统的弦线拨角法要快速得多。
4.3绘制大比例尺地形图
高等级公路选线多是在大比例尺(1：1000或1：2000)带状地形图上进行。用传统方法测图，先要建立控制点，然后进行碎部测量，绘制成大比例尺地形图。这种方法工作量大，速度慢，花费时间长。用实时GPS动态测量可以完全克服这个缺点，只需在沿线每个碎部点上停留一两分钟，即可获得每点的坐标、高程。结合输入的点特征编码及属性信息，构成带状所有碎部点的数据，在室内即可用绘图软件成图。由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息，而且采集速度快，因此大大降低了测图难度，既省时又省力，非常实用。
4.4布设控制网
当RTK信号受到地形及地物遮挡时可先由RTK选择信号较好地段做控制网，再由全站仪做加密导线测量，也可以大大提高全站仪的工作效率。
5结语
随着公路设计行业软件技术和硬件设备的发展，公路设计已实现CAD化，有些软件本身还要求提供地面数字化测绘产品的支持；建立勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，减少数据转抄，输入等环节，是公路勘测设计“内外一体化”的要求，也是影响高等级公路设计技术发展的关键所在。实时动态RTK技术在公路勘测中的应用，对等级公路的勘测手段和作业方法产生了重大改变，极大地提高了勘测精度和勘测效率，对公路勘测、施工和后期养护、管理方面有着广阔的应用前景,为我国国民经济发展带来了可观的经济效益。
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参考文献
［1］刘业光,王磊.广州市建设工程测绘自动化系统的设计与实现[J].地理空间信息,2006,3.
［2］吴俐民.GPS网数据的质量控制[J].测绘通报,2000,9.
［责任编辑：邓丽丽］