RTDS 的原理及在鐵路勘測中的應用

白海東 苗昌偉

1 概況

隨著GPS技術的迅猛發展,RTK技術已越來越廣泛的應用于各個領域,其在鐵路勘測中的可靠性和高效率已有了良好的體現,但是由于電臺方式的局限性,網絡方式也開始被廣泛使用,目前最普遍的發展是臺站網的建設,但是由于臺站網的建設資金高,投入大,周期長,又受區域局限?；诖?我們介紹一種新型單基站工作模式的網絡RTK-RTDS。

2 RTDS工作原理

RTDS在工作時,參考站將自己所獲得的載波相位觀測值及測站位置,通過數據通鏈實時發給在其周圍工作的流動站。于是這些動態用戶就根據自己獲得的相同歷元的載波相位觀測值進行實時相對定位,進而根據參考站的站坐標求得自己的瞬時位置。這種工作方式最顯著的特點是解決了RTK數據鏈的問題,同時又有別于傳統意義上的單基站模式。

RTDS基站和服務器間的通信是通過手機卡GPRS的網絡進行,其形式有些像傳統的電臺作業模式,但是又不等同于這種方式,外觀看來沒有電臺發射一類的裝置,單單只是一個接收機就可實現單基站架設。這個單基站的硬件設備有:帶有GSM功能的GPS1+1(最小配置)和服務器,開通GPRS的手機卡服務器軟件采用RTDS軟件,同時還要求有一個靜態IP地址。通過RTDS軟件來實現的,RTDS(Real Time Data Server)是一款在PC機安裝運行的軟件,適用于Windows XP,Windows Vista系統。安裝的必要條件就是得有一個靜態IP地址。通過軟件設置一個端口接收基準站的數據,設置一個端口發送流動的數據。接收基站的數據有兩種,一種方式是像傳統的架設網絡參考站一樣,通過一個串口將接收機連接上,進行數據傳輸。另一種方式是任意架設基準站,通過GPRS連接上網,基準站將數據傳輸。這種方式靈活簡便,可以作為實際操作的一個常用手段。

在RTDS軟件中設置相關內容,包括靜態地址,基站和流動站的端口,還可以對用戶權限進行設置,用密碼進行登錄。將這些設置好后,進行保存可以隨時調用,開機后默認最后一次使用的設置。數據傳輸格式有:RTCM3.0,RTCM2.3,CMR+,CM R,RTCM-DGPS等幾種數據格式。

3 RTDS在鐵路測量中的應用及RTK的傳輸原理

RTDS在實際應用中內外業操作與電臺方式的 RTK差不多,鐵路測量前首先要采用靜態測量方法沿線布設平面控制網,經過嚴密平差解算,求出各控制點的平面坐標與高程。相鄰點間間距5 km～8 km,并與國家點聯測,求出各控制點平面坐標。這里需要考慮投影變形的影響,變形的程度與測區地理位置和高程有關。轉換參數應采用作業測區內4個～8個已知GPS控制點的兩套坐標和高程進行求解,求解轉換參數平面控制點不得少于3個,高程點不得少于4個,且應包圍作業測區并均勻分布。為了保證測區間線路順接,每一個測區中應采用3對及3對以上已知的GPS點參與求解轉換參數。在本次RTK作業過程中,一般采用6個點求解轉換參數,求解轉換參數均小于20 mm,每次作業前必須對已知GPS點進行檢核,對比坐標、高程應符合限差要求,確保系統正常。做完這些工作后作外業操作也非常簡便,通過外業手簿配合實現。用一個開通GPRS流量的手機卡,就是平時我們常用的手機卡,將手機卡裝入GPS儀器,通過外業手簿操作,輸入固定IP上網將其上網,然后設置基站信息,單基站的基站部分就算架設成功了。它是一個流動的基站,可以隨意在需要架設的位置架設儀器。流動站操作起來也同樣簡單,安裝好手機卡后,輸入固定IP上網,直接就能獲得基準站的數據,開始進行測量。在鐵路初測過程中,水文、放孔、控制工點等比較分散,常規RTK需要多次換基站才能滿足測量需要,RTDS的優越性顯現無遺,幾十公里范圍不用換基站,而精度又能滿足要求。我們在實際應用中,基站和流動站的距離應在25 km以內,能達到最佳效果。RTK是根據GPS的相對定位概念,將一臺接收機安置于已知點,即稱基準站,另一臺或幾臺接收機放置在用戶移動臺,同步采集相同衛星的信號,基準站通過數據鏈實時將其載波觀測值和測站坐標信息一起傳送給用戶移動臺。利用相對定位原理,將這些觀測值進行差分,削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等的影響,使實時定位精度大大提高。由此可知,RTK技術是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎上的。與其他差分不同的是,基準臺傳送的數據是偽距和相位的原始觀測值,用戶移動接收機利用相對測量方法對基線求解、解算載波相位差分改正值,然后解算出待測點的坐標。

為了削弱衛星星歷誤差、對流層延遲誤差和電離層延遲誤差,消除衛星鐘和接收機鐘的誤差的影響,在RTK定位技術中通常都采用雙差觀測值,其觀測方程為:

其中,Δ▽為雙差算子(在衛星和接收機間求雙差);φ為載波相位觀測值;ρ為衛星與接收機的距離,為衛星星歷給出的衛星位置矢量,為測站的位置矢量;dρ為衛星星歷誤差在接收機主衛星方向上的投影;λ為載波的波長;N為載波相位測量中的整周模糊度;dion為電離層延遲;dtrop為對流層延遲;dφ mp為載波相位測量中的多路徑誤差;ε Δ▽φ為雙差載波相位觀測值的測量噪聲。

公式中的軌道偏差項Δ▽dρ,電離層延遲的殘差項Δ▽dion和對流層延遲的殘差項Δ▽dtrop都將迅速增加,從而導致難以正確確定整周模糊度,無法得到固定解,定位精度迅速下降。當流動站和參考站之間的距離大于50 km時,常規的單歷元解一般只能達到分米級的精度。因此我們在使用這種傳輸方式時,要考慮因距離帶來的精度影響。

4 RTDS技術的優點

1)服務器間架設相對簡單,軟件非常簡易易懂,非專業人員也同樣可以進行操作設置。2)基站流動站操作非常簡便易學。3)數據傳輸量非常小,不占用帶寬。4)一個基準站和流動站的結合是,流動站數目不超過100個。5)在一個服務器上同時可以開設幾個窗口,可以同時帶動若干組單基站運行。6)外業操作時基站架設簡單,基站單單只是一個接收機就可以實現,電臺方式的RTK需要電臺、電臺天線及連接線等。7)信號強,手機信號覆蓋的地方都有無線電信號,而且覆蓋范圍大,距離遠,在常規鐵路測量中,有的工點測量比較分散且精度要求不是很高的情況下,優勢極為突出,減少了作業過程中頻繁挪基站的麻煩。

5 結語

經過上述分析和總結,RTDS技術在實際應用過程中有其獨特的優越性,在以后的測量過程中必定發揮更高效的應用。

[1] 徐紹銓,張華海,楊志強,等.GPS測量原理及應用[M].武漢:武漢大學出版社,2008.

[2] GB 50026-93,工程測量規范[S].

[3] 張長遠.鐵路勘測中線測設方法及優劣分析[J].山西建筑,2008,34(25):351-352.

[4] TB 10054-97,全球定位系統(GPS)鐵路測量規程[S].