道路排水工程RTK測量工法

凌順 郭春平 田虎虎 朱江輝

摘 要：該工法主要是提高了RTK工程測量成果的可靠性、精度及效率。該工法對(duì)線路長，地形復(fù)雜，地表?xiàng)l件，通訊環(huán)境惡劣，工期時(shí)間短等難度條件大的市政道路排水測量作業(yè)有絕對(duì)的優(yōu)勢。該RTK工法確保了測量成果的可靠性、精度及效率，來之能測，測之能用，可為施工現(xiàn)場提供及時(shí)可靠的測量服務(wù)，不至因測量工作影響施工進(jìn)度，并可減少由于人為、儀器、天氣影響等帶來的誤差，同時(shí)降低由于測量誤差造成的工程返工的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：道路工程;測量;GPS;RTK

中圖分類號(hào)：U415 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0127-02

0 前言

目前市政道路排水工程施工企業(yè)己較多的在施工中采用GPS即時(shí)動(dòng)態(tài)定位（Real Time Kinematic，RTK）其具有施測迅速，移動(dòng)快速，大部分工作不需進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算工作并提供高精度的即時(shí)定位效能，借助RTK手段，能夠明顯地降低測量人員的工作負(fù)荷，改善工作質(zhì)量，對(duì)于工程測量工作的效率和質(zhì)量幫助非常大，具有深遠(yuǎn)的意義。

中核華泰建設(shè)有限公司在2012年在市政道路排水工程建設(shè)中就引進(jìn)采用了RTK測量儀并取得了良好的成效，但是在使用過程中也發(fā)現(xiàn)RTK在市政道路排水工程測量中難以達(dá)到全站儀等傳統(tǒng)測量方法百分百的可靠性，測量精度受接收衛(wèi)星數(shù)量及信號(hào)強(qiáng)度、電離層、數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸遠(yuǎn)近、對(duì)空通視環(huán)境影響等情況;對(duì)此中核華泰建設(shè)有限公司成立了道路排水工程RTK測量工法研究小組，重點(diǎn)研究RTK測量原理及其在道路排水工程中的適用范圍、工法優(yōu)點(diǎn)、操作流程及注意事項(xiàng)，找出影響測量作業(yè)中精度及可靠性的因素并加以解決。在實(shí)踐中形成了此工法，在應(yīng)用過程中效果良好，有效保證了RTK測量成果的可靠性及精度，并提高了RTK測量的作業(yè)效率。

1 RTK工法優(yōu)點(diǎn)

（1）作業(yè)效率高。除測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾外對(duì)測站及測點(diǎn)間不作通視要求。并可避免傳統(tǒng)測量需測量多個(gè)控制點(diǎn)和多次轉(zhuǎn)移測量儀器位置的特點(diǎn)，縮短了工作時(shí)間和量，相比傳統(tǒng)測量方式明顯提高了工作效率。（2）定位準(zhǔn)確，誤差小。在有效衛(wèi)星≥五顆，高度角大于20°時(shí)，平面解精度為3mm+1ppm，高程精度也能滿足四等水準(zhǔn)要求;數(shù)據(jù)安全可靠且沒有誤差積累。一次設(shè)站轉(zhuǎn)換參數(shù)后可有效控制≤5km的測區(qū)。（3）對(duì)作業(yè)環(huán)境的條件放寬。傳統(tǒng)測量需要滿足兩點(diǎn)間光學(xué)通視條件，能見度、氣候和季節(jié)對(duì)傳統(tǒng)測量影響都很大，達(dá)到電磁波通視條件即可，可以很容易高效精準(zhǔn)定位。（4）具自動(dòng)性，高度集成性，測繪能力高的特點(diǎn)。流動(dòng)站內(nèi)置工程之星軟件進(jìn)行作業(yè)，可高效完成測量工作并提高工作效率和作業(yè)精度。（5）作業(yè)時(shí)間的靈活性。不局限于特定地點(diǎn)和時(shí)間，天氣變化不會(huì)影響作業(yè)工作。如在全站儀夜間無法測量時(shí)GPS可以輕松勝任夜間的測量工作。

2 適用范圍

RTK對(duì)線路長，地形復(fù)雜，地表?xiàng)l件，通訊環(huán)境惡劣，工期時(shí)間短等難度條件大的測量作業(yè)有絕對(duì)優(yōu)勢，測量精度與2″級(jí)全站儀相當(dāng)。

本工法適用于道路排水工程橫斷面復(fù)測、路基土石方工程、雨污水管道工程、路面工程、橋梁工程等分部分項(xiàng)工程的測量放樣工作。

3 施工中提高RTK作業(yè)效率的方法

基于武漢左廟路、快嶺東路、火箭二路等道路排水工程，得出了如下施工中提高RTK作業(yè)效率的方法：

3.1 掌握熟悉儀器特性

基于實(shí)際工作中的反復(fù)測試，熟悉各種條件下儀器性能，比如是否可以達(dá)到廠家標(biāo)準(zhǔn)的性能，實(shí)際的工作半徑和測量誤差，掌握儀器的使用維護(hù)以及測量用時(shí)耗時(shí)等。

3.2 基準(zhǔn)位置

基準(zhǔn)站的位置對(duì)信號(hào)的接收和數(shù)據(jù)鏈的整合有重要作用，每個(gè)基準(zhǔn)站點(diǎn)的實(shí)際距離應(yīng)<理論有效距離的2/3。為便于對(duì)檢測結(jié)果監(jiān)控和杜絕出現(xiàn)檢測盲區(qū)，應(yīng)結(jié)合測量實(shí)際情況，在路線較長且測區(qū)不良的區(qū)域可多增設(shè)一些基站。

3.3 選擇合理的作業(yè)時(shí)間

調(diào)閱星歷文件，查閱測試區(qū)域的衛(wèi)星分布，制定一個(gè)可行的測量計(jì)劃，可以避免衛(wèi)星信號(hào)干擾致盲，以及避開中午時(shí)段電離層的最大干擾影響，切實(shí)增強(qiáng)工作效率。

3.4 選擇合理的作業(yè)流程

在草木茂盛區(qū)或空中通信受限的地區(qū)，將傳統(tǒng)方法與GPS技術(shù)相結(jié)合，可以大大提升工作效率。如果配合對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)，RTK聯(lián)合全站儀協(xié)同工作，可有效發(fā)揮RTK和全站儀的優(yōu)勢。

4 RTK的誤差特性及其解決辦法

依據(jù)廠家出具的技術(shù)數(shù)據(jù)，RTK可靠性是95%到99%。與靜態(tài)GPS相比，RTK具有更多左右可靠性的外部因素，如外部無線電信號(hào)的脆弱性，數(shù)據(jù)鏈傳輸過程中的多路徑因素。因此與GPS靜置測量方式相比，RTK的測量方式出現(xiàn)誤差幾率更高，必須要有相應(yīng)的方法來控制測量質(zhì)量。在道路排水工程RTK測量作業(yè)中發(fā)現(xiàn)了如下誤差特性，并找出了其解決方法。

4.1 同儀器和干擾有關(guān)的誤差

這種誤差的產(chǎn)生有多種原因：比如多徑誤差和天線相位中心位置的變化、信號(hào)干擾帶來的信號(hào)誤差，另外天氣變化也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)誤差。

4.1.1 天線相位中心位置的變化

天線的電子相位和機(jī)械中心理論上不會(huì)重合。一般電子相位中心會(huì)因?yàn)榻邮苄盘?hào)的角度、頻率和高度角等物理參數(shù)改變。實(shí)際中，其相位變化可導(dǎo)致點(diǎn)位坐標(biāo)有3到5cm的誤差。

解決方法：可通過驗(yàn)證天線來加強(qiáng)RTK定位的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行的絕對(duì)檢驗(yàn)法（按規(guī)范要求每年送有資質(zhì)的檢測單位標(biāo)定）以及野外進(jìn)行檢驗(yàn)法（轉(zhuǎn)換參數(shù)后進(jìn)行多余測量，測量其它的己知控制點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)或與全站儀所放樣的點(diǎn)位進(jìn)行比對(duì)，如有偏差進(jìn)行調(diào)整）。

4.1.2 多路徑誤差

多徑誤差是限制GPS精度進(jìn)一步提高的環(huán)境關(guān)鍵因素之一[1]。受影響于測量天線的周邊條件和環(huán)境，多徑誤差多數(shù)情況下可以達(dá)到若干cm的級(jí)別，在部分條件下如高反射，甚至>10cm。

解決方法：

①測站周邊應(yīng)該避免大范圍的湖泊和河流等靜置水面。草木林茂的植被地區(qū)可以有效地吸收微弱信號(hào)的波長，是選址的不錯(cuò)選擇。另外，基本農(nóng)田（經(jīng)常種植農(nóng)作物，土地翻耕，作物生長）或者其他地表不平整的區(qū)域，也是不錯(cuò)的選站地點(diǎn)。②測站選址應(yīng)避免盆地、山谷以及山坡等。防止反射信號(hào)又回到天線，引發(fā)多徑效應(yīng)。③測站選址應(yīng)避免高樓或者其它高層建筑物。工作時(shí)，汽車等也不宜在附近。④加裝抑制裝置：在天線中加裝抑徑板;選擇合格的接收天線，應(yīng)當(dāng)具備針對(duì)極化特性各異的反射信號(hào)具有一定的抑制能力。

4.1.3 衛(wèi)星狀態(tài)及可靠度影響

GPS系統(tǒng)是在20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)科學(xué)能力落后一些因素沒有考慮周全，參數(shù)設(shè)置不全面等問題導(dǎo)致了GPS系統(tǒng)的缺陷，隨著科學(xué)進(jìn)步，時(shí)代發(fā)展，使用的要求越來越高，GPS系統(tǒng)很多硬件和軟件都不能夠達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)，比如GPS衛(wèi)星的空間構(gòu)造有限及信號(hào)能力較弱，在衛(wèi)星系統(tǒng)定位在某一個(gè)國家位置時(shí)，地球上的其他位置在特定的階段覆蓋范圍不全面使RTK測量存在盲區(qū)，在對(duì)地球中低緯度區(qū)域測量時(shí)都會(huì)有2次二十分鐘到半小時(shí)的盲區(qū)，此時(shí)GPS對(duì)衛(wèi)星幾何圖形分析能力弱，同時(shí)在天空中障礙物較多時(shí)，GPS信號(hào)差沒有辦法正常運(yùn)行。另外一些障礙物對(duì)電臺(tái)信息傳遞信號(hào)會(huì)有干擾，數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸會(huì)產(chǎn)生消弱現(xiàn)象數(shù)據(jù)鏈傳輸信號(hào)好壞，衛(wèi)星狀態(tài)和天氣變化的因素會(huì)導(dǎo)致RTK不穩(wěn)定。

解決方法：

①RTK測量接收信號(hào)時(shí)至少需要5個(gè)及以上衛(wèi)星，且信號(hào)良好，手薄上出現(xiàn)固定解時(shí)方可進(jìn)行測量放樣工作，此時(shí)可等待二十分鐘到半個(gè)小時(shí)待信號(hào)正常后或暫時(shí)采用全站儀代替RTK進(jìn)行測量放樣。②采用多路徑誤差的解決方法中測站的選擇方法。③通過作業(yè)實(shí)踐和分析表明：RTK真實(shí)的作業(yè)半徑小于其宣稱的作業(yè)半徑，如果一旦RTK作業(yè)半徑范圍較大較長超出了一般的作業(yè)半徑，測量誤差就變大;對(duì)道路排水工程來說RTK的作業(yè)半徑控制在5km內(nèi)時(shí)能達(dá)到2″級(jí)全站儀的精度。

4.1.4 信號(hào)干擾

信號(hào)干擾來源具有多樣性的特點(diǎn)，比如軍用或者民用雷達(dá)、各種無線電發(fā)射裝置、高壓線雜信號(hào)等，干擾強(qiáng)度不盡相同，與信號(hào)源強(qiáng)度、距離、方式等相關(guān)。

解決方法：為了有效地降低各種干擾作用影響，在選址時(shí)必須盡量避開這些干擾源，如有高壓線，必須建在50米外，如有各類發(fā)射源，則需選址在200米開外。

4.1.5 氣象因素

測量環(huán)境中的快速變化的氣象環(huán)境，可導(dǎo)致測量結(jié)果差異達(dá)到10-20cm的范圍。

解決方法：在氣候環(huán)境突變、大風(fēng)、大霧天時(shí)可視情況暫停RTK測量工作，待氣象條件適宜后再進(jìn)行RTK測量工作，此時(shí)傳統(tǒng)的全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等測量方法也應(yīng)暫停。

4.2 同距離相關(guān)誤差

4.2.1 軌道誤差

軌道誤差對(duì)于10km以下的短基線，誤差可以忽略不計(jì)，但是對(duì)于20-30km的中長基線，誤差可以達(dá)到幾厘米[1]。

解決方法：采用不超過5km的短基線。

4.2.2 電離層誤差

由信號(hào)受到電離層干擾產(chǎn)生了信號(hào)偏差，在信號(hào)傳遞過程中發(fā)生信號(hào)延遲而引起，電離層的電子信號(hào)強(qiáng)弱直接影響信號(hào)誤差的大小，太陽黑子的活動(dòng)狀態(tài)、位置、季節(jié)、白天黑夜的變換這些物理參數(shù)也會(huì)影響，白天的誤差相比夜晚大5倍，冬季相比夏季大于約5倍，黑子活動(dòng)最強(qiáng)的時(shí)候比最弱的時(shí)候多4倍。

解決方法：通過作業(yè)實(shí)踐和分析表明，GPS測量技術(shù)在白天尤其是十二點(diǎn)至一點(diǎn)間受電離層影響大，GPS啟動(dòng)初始化時(shí)間較長并且有可能衛(wèi)星數(shù)量少不能正常啟動(dòng)，得不到固定解沒辦法完成測量任務(wù)，操作中可避免在此時(shí)段進(jìn)行RTK測量工作。

4.2.3 對(duì)流層誤差

在高度十千米以內(nèi)沒有發(fā)生電離的中性大氣層電磁波信號(hào)傳遞時(shí)會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾導(dǎo)致產(chǎn)生信號(hào)延遲，在中性大氣層占整個(gè)大氣層的百分之九十，但對(duì)流層中對(duì)電磁波的傳播干擾較小，對(duì)流層中大氣為中性，非彌散性介質(zhì)頻率≥30GHz的電磁波，電磁波在對(duì)流層中傳播速度和頻率沒有關(guān)系。地表的溫度和濕度、大氣壓力直接影響電磁波的傳播，對(duì)流層折射相比電離層折射復(fù)雜得多。

解決方法：RTK模式時(shí)控制移動(dòng)站和基準(zhǔn)站作業(yè)半徑≤5km，在相關(guān)工程作業(yè)過程中作業(yè)半徑小于等于5km時(shí)，由于信號(hào)通過對(duì)流層的路徑相似，在對(duì)流層的信號(hào)測量時(shí)采用同一顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，測量的值差異明顯減小，此時(shí)可以明顯地減弱對(duì)流層折射的影響，在實(shí)際操作中，此時(shí)該情況導(dǎo)致的誤差可忽略不計(jì)。

5 工法應(yīng)用情況及應(yīng)用前景

RTK雖有不低于傳統(tǒng)測量儀器精度的特點(diǎn)且有測量工作強(qiáng)度低、效率高、不受天氣及通視條件等影響的優(yōu)點(diǎn)，但RTK在市政道路排水工程測量中也存在難以達(dá)到全站儀等傳統(tǒng)測量方法百分百的可靠性，測量精度也受接收到的衛(wèi)星數(shù)量及信號(hào)強(qiáng)度、電離層、數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)傳輸遠(yuǎn)近、對(duì)空通視環(huán)境影響等情況;本工法在研究RTK測量原理及其在道路排水工程中的適用范圍、工法優(yōu)點(diǎn)及注意事項(xiàng)的基礎(chǔ)上，找出了影響測量作業(yè)中精度及可靠性的因素并加以解決。應(yīng)用該工法能為道路排水工程測量成果的可靠性、精度及效率帶來極大的改變，綜上該RTK技術(shù)工法在道路排水工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用有非常大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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