利用GPS进行公路工程放样2.docx
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利用GPS进行公路工程放样2
利用GPS进行公路工程放样2
摘要
RTK技术是GPS 测量技术与数据传输技术的结合，是GPS 测量技术中的一个新突破。
文章阐述了RTK的发展背景、含义、系统的组成以及其在测量领域内的应用与优缺点。
GPSRTK技术以其高精度、高效率、易操作、费用低以及仪器轻便等特点被广泛应用于各种控制测量、地形测量、施工放样等方面。
虽然在测量项目中RTK技术与传统的测量方法相比具有其不可替代的优势，但由于易受外界环境的干扰，所以在观测过程中应认真的对待周围的观测条件和卫星数量，确认基准站与流动站的输入项与设置均正确无误，结合实际考察误差来源以取得最好的观测结果。
由于GPS所采集的是WGS-84坐标，在向地方坐标系转换的过程中必然导致转换模型误差和已有控制误差的引入，并且在实际的工作过程中，常用的是正常高系统，而GPS所采集的则是基于椭球面的大地高，在大地高向正常高转换的过程中，由于转换方法的不同必然导致高程精度有所差异，因此必须重视对水平精度和高程精度的合理评定。
本文结合实际，举例具体说明其在铁路定测作业模式中的应用。
提出了运用GPSRTK技术获取观测信息的新方法。
并对RTK技术在铁路图根控制测量、碎部测量中的操作步骤及注意事项做了必要的说明；同时详细的进行了该技术与常规测量方法的精度比较。
关键词：
RTKGPS公路定测精度分析
摘要······················································································································Ⅱ
前言······················································································································1
第一章测区概况·········································································································2
第一节工程介绍·······································································································2
第二节RTK-GPS概述································································································2
第二节气候特征·······································································································3
第二章GPS技术的工作原理及优点··································································3
第一节GPS技术的工作原理·····················································································3
第二节GPS的优点····································································································4
第三章GPS技术在公路施工放样中的应用·····························································4
第一节准备工作·······································································································5
第二节测量实施·······································································································9
第三节精度评析·····································································································15
第四章注意问题········································································································16
第五章结束语············································································································17
参考文献······················································································································19
前言
随着全球定位系统（GPS）技术的快速发展，RTK（Real Time Kinematic）测量技术也日益成熟。
GPSRTK技术以其高精度、高效率、易操作、费用低以及仪器轻便等特点被广泛应用于各种控制测量、地形测量、施工放样等方面。
在地形复杂，通视情况较差，导线测量有困难的测区，RTK可以代替传统的三角网、导线网等方法，且相对导线测量可以大大缩短作业时间。
目前的GPS测量技术难以替代传统的精密几何水准测量方法。
但在平缓地区，利用RTK高程曲面拟合技术的方法测量图根控制点、碎部点，完全可以满足大比例尺地形图的测图精度，大大节省作业时间。
第一章测区概况
第一节工程介绍
上三高速公路是浙江省内的一条高速公路，上是指上虞市，三是指三门县，该线路北起上虞沽渚连接杭甬高速，南至三门高枧乡，互通甬台温高速，途径上虞、嵊州、新昌、天台、三门五个县市，与甬金高速公路互通，纵贯浙江省中东部。
甬台温高速至沿海高速三门联络线项目（上三高速公路东延段）起于台州市三门县珠岙镇，设珠岙枢纽与甬台温高速公路相接，途经亭旁镇、海游街道、海润街道，终于健跳镇，设健跳枢纽与在建的沿海高速台州湾大桥及接线工程相接，线路全线长约29公里。
据了解，该项目位于三门县中部，其建成将完善三门区域公路网结构，增强甬台温高速和沿海高速两条纵向高速公路的横向联系，三门高速公路将形成“H型”结构，上三高速、甬台温高速、沿海高速、上三高速东延4条高速公路实现互联互通。
该高速公路沿途多高山隧道，隧道限速80公里/小时；目前，上三高速新昌至白鹤殿段，小型车限速由60公里/小时提到80公里/小时。
项目拟征用土地约248.3公顷，项目投资估算72.6亿元，工期为36个月。
第二节RTK-GPS概述
全球定位系统是由美国国防部联合美国海、陆、空三军为满足其军事导航定位而建立的无线电导航定位系统。
其系统从1973年开始研究，到1993年完成全部工作卫星组网工作。
该系统由24颗卫星组成，卫星分布在相隔60°的6个轨道面上，轨道倾角55°卫星高度20200km，卫星运行周期11h58m，这样在地球上任何地点、任何时间都可以接收至少4颗卫星运行定位。
由于GPS具有实时提供三维坐标的能力，因此在民用、商业、科学研究上也得到了广泛应用。
它不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
从静态定位到快速定位、动态定位，GPS技术已广泛应用于测绘工作中。
对于我们所熟知GPS，可以说它是测量史上的一次变革，它为我们提供了全天候、高精度、高效率的测量方法。
但是GPS也有它自己的不足之处，比如说作业时间长、数据要进行内业处理等。
RTK是GPS发展的最新成果，它弥补GPS原有的不足之处，它不仅具有GPS原有的全天候、高精度、无须光学通视的特点，而且还可以为测量提供实时的定位结果，可以说RTK的产生是GPS应用的拓展，是测量方法的又一次突破，是测量史上的又一次变革。
由于RTK能够实时提供高精度的定位结果，所以有人又称它为“GPS全站仪”。
第三节气候特征
施工段途经地区属暖温带亚湿润区；四季分明，冬长夏短；春季干燥多风，夏季庞大，另一方面还在于神经元能够对输入信号进行非线性处理。
因此，对图1-1可进一步建立起更接近于工程的数学模型。
炎热，雨量集中，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥，雨雪偏少。
受大陆性季风制约，冬寒干燥，春季多风，夏热多雨，秋季天高气爽，具“春旱、秋涝、晚秋又旱”特征，年平均气温介于12～15℃，年平均降雨量介于500～840mm，集中在7～9月
第二章GPS（RTK）技术的工作原理及优点
第一节GPS（RTK）技术的原理
RTK定位技术就是基于载波，通过相对定位模型获取所在点相对于基准点的坐标和精度指标。
相位观测值的实时动态定位技术。
在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。
流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，用户输入相应的坐标转换和投影参数，可以实时得到精度达到厘米级的定位结果。
RTK定位技术是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS定位技术，实施动态测量。
在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。
流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时通过输入的相应的坐标转换参数和投影参数，实时得到流动站的三维坐标及精度。
应用RTK技术进行定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（如伪距或相位观测值）及已知数据 （如基准站点坐标）实时传输给流动站GPS接收机，流动站快速求解整周模糊度，在观测到 四颗卫星后，可以实时地求解出厘米级的流动站动态位置。
这比GPS静态、快速静态定位 需要事后进行处理来说，其定位效率会大大提高。
故RTK技术一出现，其在测量中的 应用立刻受到人们的重视和青睐。
GPS定位技术系统配置包括以下三部分：
1、基准站接收机；2、移动站接收机；3、数据链。
基准站接收机设在具有已知坐标（也可无已知坐标，地势较高）的参考点上，连续接收所有可视GPS卫星信号，并将测站的坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态通过数据链发送出去，移动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据，通过OTF（ONTHEFLY）算法快速求解载波相位整周模糊度。
第二节GPS（RTK）的优点
应用GPSRTK技术进行铁路定测具有如下优点：
1、常规的中线测量总是先确定平面位置，而后再确定高程。
即先放线，后做中平测量。
GPSRTK技术可提供三维坐标信息，因此在放样中线的同时也获得了点位的高程信息，无须在进行中平测量，大大的提高了工作效率。
2、目前GPSRTK基准站数据链的作用半径可以达到10-20km，因此整个线路上只要布设首级控制网，如一、二级导线等，只要保存好首级点，即可随时放样中线或恢复整个线路，因此也不必担心一些重要桩位如交点桩的遗失而给线路测量带来困难等。
3、GPSRTK基准站发出的定位信息，可供多个流动站使用，而流动站只需一个人单独操作，这就大大节省了人力，提高了功效。
4、在GPSRTK定线测量中，首级控制网直接与中线桩点联系，不存在中间点的误差积累问题，因此能达到很高的精度，适合高等级线路工程的要求。
5、RTK技术能够在野外达到厘米级的定位精度。
RTK技术能够减少野外观测时间，实时的给出差分定位结果，历时不到1s，更为重要的是，由于RTK技术是实时给出每一历元的定位结果，测量人员可以监测基准站与测站观测结果的质量和解算结果的收敛情况提高了GPS测量工作的可靠性和高效性，避免测量结果有误差带来的重测工作量。
第三章RTK技术在公路施工放样中的应用
GPSRTK技术在野外测绘中有很多的应用，现仅以RTK技术在公路测绘中的应用为代表详细的说明RTK技术在现代测量中的重大作用。
本作业于2010年对河南省濮阳至范县高速进行定测。
该专用线全长55.6km，测区地势平坦，除几处外都较适合GPS-RTK测量。
作业时将基准站设在大致全线中心处，距离最远待放样点7km多,满足作业要求
。
第一节准备工作
在线路初测时应首先建立控制网，一般应采用静态GPS定位技术建立首级控制，同时也建立了RTK作业的基准站网络，在沿线还应布设一些GPS水准点，以利于进行高程的转化。
目前的RTK技术产品一般都具有坐标放样、直线及圆曲线测设等功能，因此能够进行定线工作。
首先应在室内根据设计数据计算出各待定点的坐标，包括整桩、曲线主点、桥位等加桩，然后将这些数据送到手持机中，有了坐标以后在实测前还应作坐标转换参数的计算，以便把GPS测量结果转换到工程采用的坐标系统。
有了转换参数便可在野外进行测设工作。
2010年11月在河南省濮阳至范县高速公路第八标段路段进行了定线测量的试验。
当时该路段已进入施工阶段。
具体步骤如下：
1、计算各待定点的坐标。
根据线形设计数据及待定点的里程按本节阐述的线路中线点位坐标计算的模型可计算出各整桩和加桩的设计坐标。
也可用已有的成熟软件进行计算。
试验时采用的坐标数据由浙江省交通设计院提供。
2、将测设点的坐标输入到手持机中。
设计坐标数据可由一定的软件输送到手持机中，也可由人工直接在手持机上进行数据输入，但人工输入工作效率较慢且容易出错，不适合于大量点的输入。
由于试验时的数据量较小，因此采用人工输入，试验结束后成功地进行了由软件传送数据的尝试。
3、选择作业时段：
公路沿线地物地貌复杂多变，为获取完整的数据，必须根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。
卫星的几何分布越好，定位精度就越高，卫星的分布情况可用Planning软件查看多项预测指标，根据预测结果合理安排工作计划。
4、建立测区平面控制网：
根据中线放样资料，用GPSRTK技术建立测区控制网。
在测区范围内找出已知点，根据设计计划书，通过坐标正反算计算出若干控制点（这些控制点分别布设在待测铁路的两侧）。
相邻点间间距5－8km，并与国家点联测，求出各控制点平面坐标，同时投影变形不得不考虑，变形的程度与测区地理位置和高程有关，铁路线路短则数十千米，长则上千千米，跨越范围广，线路走向、地形情况千差万别，长度变形各不相同。
在3度投影带的边缘，长度变形可达
以上，导致中线桩由图上反算的放样长度与实地测量长度不一致，无法满足放样要求。
因此必须采取相应的措施消弱长度变形。
在该线路测量中应用GPS技术的形式是沿设计线路建立狭带状控制网。
目前主要有两种情况，一种是应用GPS定位技术替代导线测量；一种是应用GPS定位技术加密国家控制点或建立首级控制网。
在实际生产中较多地运用了后者。
5、布网形式：
根据《测量技术规程》规定，1：
2000比例尺地形图测绘起、闭于高级控制点的导线全长不得大于30KM（公路线路一般规定≤布设10km）。
据此铁路GPS线路控制网布设应满足以下几条：
（1）作为导线起、闭点的GPS应成对出现；
（2）每对点必须通视，间隔以1km为宜（不宜短于200m）；
（3）每对点与相邻一对点的间隔不得大于30km。
具体间隔视作业条件和整个控制测量工作计划而定，一般5-15km布设一对点。
这些点均沿设计线路布设，起图形类似线形锁。
图1显示了官柴线延长至新安煤矿铁路专用线GPS控制网的布设图形：
图1测区GPS控制网的布设图形
GPS定位测量是为初测导线提供起闭点。
GPS网由11个大地四边形和两个三角形组成。
待定点（GPS控制点）20点为10个点对，相邻点对间平均距离18km。
联测了六个国家控制点，选用其中5个点作为已知点参与平差。
为了提高勘测精度和便于日后勘测工作的开展，在构建GPS控制网时在以下地段布设GPS点对：
（1）线路勘测起讫处；
（2）线路重大方案起讫处；
（3）线路重大工程，如隧道、特大桥、枢纽等地段；
（4）航测线段重叠处。
6、观测工作主要依据的技术指标
表1各级GPS测量作业的基本技术要求
各级GPS测量作业的基本技术要求
项目
等级
二
三
四
一级
二级
卫星高度角（°）
相对快速
≥15
≥15
≥15
≥15
≥15
有效观测卫星数
相对
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
快速
—
≥5
≥5
≥5
≥5
观测时段数
相对
≥2
≥2
≥2
≥2
≥1
重复设站数
快速
—
≥2
≥2
≥2
≥2
时段长度
（′）
相对
≥90
≥60
≥45
≥45
≥45
快速
—
≥20
≥15
≥15
≥15
数据采样间隔（″）
相对快速
10—60
10—60
10—60
10—60
10—60
PDOP
相对快速
＜6
＜6
＜8
＜8
＜8
表2各级GPS测量基本技术要求规定
各级GPS测量基本技术要求规定
级别\项目
AA
A
B
C
D
E
卫星截止高度角
10
10
15
15
15
15
同时观测有效卫星数
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
有效观测卫星总数
≥20
≥20
≥9
≥6
≥4
≥4
观测时段数
≥10
≥6
≥4
≥2
≥1.6
≥1.6
级别\项目
AA
A
B
C
D
E
采样间隔
（S）
静态
30
30
30
10—30
10—30
10—30
快速静态
—
—
—
5—15
5—15
5—15
时段长度
（MIN）
静态
—
—
—
≥60
≥45
≥40
快速
静态
双频+P（Y）码
—
—
—
≥10
≥5
≥2
双频全波
—
—
—
≥15
≥10
≥10
单频或双频半波
—
—
—
≥30
≥20
≥15
铁路与公路等线路工程部门规定GPS线路工程控制网的技术标准，分成C、D、E三级，GPS网的基线相对精度由下式表达：
σ=SQR（a2+（b.d）2）
各级GPS网的基线相对精度标准见表3
表3GPS线路控制网的精度标准
GPS网的级别
a
b
适用范围
C
≤5
≤10
桥梁、隧道、大型枢纽、立交控制
D
≤10
≤10
线路首级控制
E
≤10
≤20
初测控制、航外控制
注：
σ为基线边标准差/mm，a为固定误差/mm，b为比例误差/（mm/km），a为基线边长度
7、仪器装备情况
本次作业所使用的仪器为南方测绘仪器公司生产的9800型双频接收机,其精度指标为：
实时RTK平面精度2cm＋2ppm,高程精度为5cm＋1ppm,作业距离达15km，该仪器集成性能较好，主机、电源、数传电台一体化，整机功率低，17AH基站蓄电配2个锂电可连续工作12小时，RTK基站自动智能设置。
8、标石选埋
本次作业为保证 GPS网有较好图形强度，作业前对该网形进行优化设计。
利用1：
10000地形工作图将欲做的D级GPS点做规划设计，然后根据现场实际情况，再其附近选择一个适合架设GPS的位置，并尽量选择地势高、没有遮挡的位置，以保证后期在该点假设参考站是信号能顺利传到流动站。
9、放样内业数据准备
利用测量内外业一体化程序完成全部计算工作。
将线路的起点坐标、方位角、加直线长度及曲线要素输入程序,据里程计算出全线待放样点的坐标，其中直线上每50m一个点，曲线上每10m一个点。
按相应的数据格式将放样点坐标导出成TrimbleDC文件，通过DataTransfer将DC文件导入到外业掌上电脑供外业调用。
外业测量存储的RAT文件是专用的数据库文件，不可直接用来给成图软件调用，用“测点成果输出”功能可以把RAT文件转换为用户所需要的格式。
转换后的格式与我们所用软件CASS5.0软件格式相一致，结合外业的草图，从而快速地完成数字化内业成图工作。
第二节测量实施
1、应用GPSRTK技术进行线路定测的作业方法：
计算各待定点的坐标。
根据线形设计的数据及待定点的里程可计算出各整桩和加桩的设计坐标。
一般用已有的成熟软件进行计算。
将测设点的坐标输入到手持机中。
设计坐标数据可由一定的软件输送到手持机中，也可由人工直接在手持机上进行数据输入，但人工输入工作效率较慢且容易出错，不适合大量点的输入。
由于试验时的数据量较小，因此采用人工输入。
2、转换参数计算：
首先确定哪些点将进行转换参数的计算,这些点将具有线路坐标和WGS-84坐标,若没有WGS-84坐标,则可在野外利用RTK技术实时测得。
试验时采用试验路段的四个控制点进行转换参数的计算，这些点均进行过GPS测量。
在标定平面路线时一般只考虑平面位置，即把平面和高程分开处理，平面采用平面转换的模型，后处理高程采用动态拟和模型。
本次工程所采用的RTK手持机装有可进行转换参数计算的软件系统，试验时采用随机软件进行处理。
选择转换参数时要注意以下两个问题：
测区四周及中心的控制点，均匀分布；高转化精度，最好选3个以上的点，利用最小二乘法求解转换参数。
3、作业步骤：
由于线路通常较长，为确保测量各交点坐标的准确性，通常在线路的全长，每隔一定的距离设置一个坐标控制点，该控制点的坐标是测量该段线路交点的坐标基准点。
因此，坐标中线测量的第一步就是进行控制点的测量。
（1）控制点的布设
控制点布置在线路沿线两侧，点位尽量放置在较高的位置上，能够看见越长的线路越好。
点位要固定，不能有移动的现象。
尽量设置在建筑物的顶上等位置，若在没有建筑物的地区，则应在地上打入大木桩，在桩顶上订小钢钉。
两相邻的控制点能够相互通视，距离在50m—500m的范围之内。
如图2控制点为D1、D2、D3。
4、具体操作过程：
①已知某点的坐标,求另一点的坐标
置经纬仪于D1，后视D2，瞄准
，得方位角
，测
的距离
得
同理测
、
……的坐标。
②已知二点坐标，求方位角与距离
已知JDA（XA、YA）,JDB（XB、YB）用
注意：
计算
的时候必须是B点坐标减A点坐标。
图3方位角与距离的计算
当
同理得
当а>0时为右偏,а<0时为左偏。
③计算线路中桩坐标直线段
已知：
方位角аAB，JDA（XA，YA）直线上P1点到
的距离为D则P1的坐标为：
注意：
距离D=P1的桩号—
的YZ桩桩号+
的切线长T。
④第一缓和曲线P2点坐标计算（ZH-HY段任一点）ZH
用直线段上求坐标法求得。
图4缓和曲线点的坐标计算
JDB右偏为“+”，左偏为“-”。
先算弦长S：
（L为
到ZH点的桩号之差）
⑤圆曲线段P3点坐标计算（HY-YH段任一点）
图5圆曲线点的坐标计算
当JDB右偏时用“+”，左偏时用“-”。
L——P3到HY点的桩号之差
S——HY到P3
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