双基站GPSRTK技术在沙漠区域公路施工测量中的应用与研究

彭江涛+董洪全　崔永　张开荣

摘要：以敦煌市鸣沙山景观大道建设工程项目为例，阐述了在高速施工状态下的GPSRTK测量控制技术。项目位于三危山及党河冲击阶地，地质地貌复杂，分布不连续的带状沙漠、沙坑、林地、村庄等，存在经常性的沙尘暴天气等不利观测因素，采用常规测量技术很难满足施工进度及质量要求。基于双基站GPSRTK测量技术的应用，提高了线路测量的效率，该技术经笔者工程实践，取得了良好的经济效益和社会效益，相信对类似工程有一定的借鉴及参考价值。

Abstract： Taking the construction project of Mingsha Mountain Landscape Road in Dunhuang as an example， the GPSRTK measurement and control technology in high speed construction is described. The project is located in the impact terraces of Sanwei Mountain and Danghe river， where the geology and geomorphology is complex， with uneven distribution of belt desert， bunkers， woodland， villages. There are frequent dust storms and other adverse observation factors， and the conventional measurement technology is difficult to meet the construction progress and quality requirements. Based on the application of dual-base station GPSRTK measurement technology， the efficiency of line measurement is improved. The technology has achieved good economic and social benefits through the engineering practice of the author， and it is believed that it has some reference and reference value for similar projects.

关键词：GPSRTK；沙漠区域；参数转换；公路测量

Key words： GPSRTK；desert area；parameter conversion；road survey

中图分类号：P228.4 文獻标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0171-03

0 引言

GPSRTK技术作为数字科学与信息化高度融合的产业，有着不同于经典测量的技术优势，测站间无需通视，观测时间短，能实时获取待测点的高精度三维坐标，在各类工程建设，特别是公路工程施工中获得了极大的推广与应用。结合具体工程实践，对GPSRTK技术的创新应用成为解决工程测量难题，实现技术持续革新，促进技术向便捷化、实时化方面发展的新举措。目前国内GPSRTK的应用还停留在基于仪器厂商开发时形成的成套技术。对于GPSRTK技术的创新应用，获得即能够满足工程质量和进度要求，又能考虑到经济性指标的测量手段，是广大测量从业者的探索方向。

敦煌市鸣沙山景观大道建设工程项目施工过程中，通过对GPSRTK测量技术的创新应用，开发双基站模式，以整条线路的施工测量为前提，在各种不利环境因素的影响下，实现了对沙漠区域中公路施工的准确定位，提高了测量效率。

1 工程概况

敦煌市鸣沙山景观大道建设工程项目起点位于314省道（敦煌莫高窟数字展示中心西侧），终点与G215线K149+370处相交，全长32.306公里。工程范围内设30m×10钢混组合结构大桥1座，涵洞136道，路基填方量约150万立方米，挖方量约20万立方米，路面采用彩色环氧树脂薄层罩面。开工日期2月18日，竣工日期8月20日，历时184天。工期紧，任务重，测量难度大。

1.1 地质地貌差异性大。带状线路分布区，穿越戈壁沙漠、砂砾采集区域、林地、村庄等，不同地质地貌对整条线路观测数据的一致性形成较大影响，沙坑、林地区域对GPS信号产生遮蔽，GPSRTK固定解获取等待时间长，精度差；多路径效应及长时间的沙漠高温使仪器产生变形，观测质量下降较。

1.2 环境因素影响大。沙漠区域极寒及高温天气，经常性的沙尘风暴，密集分布的电网，强磁场干扰等因素，增大了GPS信号发射与接受时偶然误差影响的几率，对观测结果极为不利。

2 技术背景

2.1 连续运行基准站的技术优势。连续运行基准站（Continuous Operational Reference System）简称CORS系统，基准站永久固定，24h不间断的对卫星进行观测，获取必要的数据链及观测值改正信息。野外作业时不需要布设控制网，用户仅需一台GPS接收机即可获取待测点的三维坐标，真正实现单机测量模式。鉴于CORS基准站建站复杂，费用昂贵，目前仅在中国中东部及沿海城市布设。

2.2 常规GPSRTK的测量弊端。常规GPSRTK采用基准站+流动站的测量模式，施工放样时，先架设基准站，求取测区的转换参数。由于GPSRTK电台的有效覆盖范围较小，且随着距离的增大，信号的强度减弱，GPS有效解解质量下降，且施工中不断进行迁站，参数求解，测量效率不高。经测试单基站的GPSRTK测量范围一般为10km。

2.3 双基站GPSRTK技术的提出。综合利用城市连续运行基准站的技术优势和GPSRTK测量的实时性特点，在线路合适位置选择固定基准站站点，进行基准站的整合和组装，获取全线路的GPS信号覆盖，通过相对定位原理，在流动站上得到高精度的WGS84坐标系坐标，求取全线路测区的WGS84-XIAN80坐标系转换参数，进行线路信息编辑，实现24h的测量技术支持，以较小的费用代价实现单兵测量模式。同时，采用双基准站双信号通道的点位检核模式，提高沙漠区域不良观测条件下的数据质量。

3 技术应用关键点解析

3.1 基准站站点选择

GPS接收机在信号接收时，由于受到卫星星历、卫星钟差、对流层折射、大气层折射、接收机相位中心偏差、接收机钟差、多路径效应等的影响，信号会发生偏差。RTK技术在基准站和流动站之间求差，根据误差的相关性，将大量的系统误差进行补偿或者消除。但部分误差仍然存在，对这些误差必须采取一定的应对措施，回避误差源，达到减弱误差影响的效果。

①根据电磁波的传输特性，经某些物体表面反射后到达接收机的信号，将和直接来自卫星的信号叠加进入接收机，使测量值产生误差。选择合适的测站，避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、成片水域等是解决这一问题的基本方法。

②在极寒、极热环境或者受沙尘暴天气的影响，接收机天线相位中心会产生偏差，尤其在临时基准站架设时，因风沙的影响，基准站倾斜或者移动，都会造成包含误差的基站信号信息发送，使移动站接受带有误差的数据链，产生定位偏差，经测试最大偏差可达10cm以上。采用强制对中装置，将基准站进行固定，加强防护措施，减少天线相位中心的偏差。

③RTK流动站对信号的接受强度，取决与基准站信号的质量与发射能力，也取决于周围环境的影响程度，在基准站布设时，充分考虑信号的发射及传输规律，提高信号传输的质量，增大信号的覆盖范围。

综合以上考虑因素，得出站点选址条件：1）信号能有效覆盖施工区域，综合考虑测区的地形条件及施工段落内的测量任务量，保证一个测区内GPS信号的完全覆盖；2）站点位置能够提供稳定的家庭电源，在条件不允许时可采用太阳能进行替代；3）地势较高，便于信号发射；4）无高压线，信号塔等强磁场干扰；5）避开山坡、成片水域等易产生多路径效应的区域；6）便于管理和维护。通过合理布局，在线路合适里程位置架设两座基准站。选址时综合考虑大桥施工的复杂性，在该区域形成有效发射信号的重叠区。

3.2 系统组装

①混凝土基础。混凝土基础两座，一座用于GPS接收机固定，一座用于发射天线固定。混凝土基座尺寸40cm×40cm×40cm，GPS接收机与发射天线之间的最佳距离为2m，浇筑混凝土时同时预埋强制对中基座并保证基座处于水平状态。

②强制对中基座。长度300mm的Φ2螺栓3根；直径100mm，带螺栓孔的钢板一块，底部三个螺孔与脚螺栓连接，顶部螺孔与GPS连接杆对接。

③系统连接组装。采用稳定的家庭电源供电，蓄电瓶作为稳压源并提供断电时的临时电源供应，安装避雷针，防止雷电干扰，系统连接顺序为：家庭电源→逆变器→ 蓄电瓶→GPS接收机→电台→发射天线。

④其他附属用具。电笔用于电压测试；电箱用于电瓶、变压器、插座等的封闭保护；薄层塑料纸用于融雪、雨水、风沙等防护措施。

3.3 坐标转换参数求解

各施工段落的地形地貌不同，将整个测区的转换参数用于标段施工会造成局部偏差；常规RTK测量时，需要不断求解转换参数，浪费大量时间，降低了观测效率。双基站GPSRTK测量模式采用分段求参方法，将整条线路划分为三个测区，每个测区施工前单独求解转换参数，通过实验对比，保证测区控制点拟合残差最小，施工时仅需调用各标段的拟合参数，保证施工段落测数据的连续性，摒弃测量前期的大量准备工作。

3.4 线路信息编辑

采用GPSRTK放样时必须进行线路及结构物参数的编辑，根据设计图纸平曲线、竖曲线的參数信息及结构物交角、前距、后距等参数，获取一定间隔的平面位置坐标及高程。

①线路信息的编辑。主要方法有元素法、交点法、Execl表格计算方法。采用不同的方法进行数据编辑，对比分析，检核设计图纸中边桩坐标是否正确。元素法按照曲直表输入时注意将直线的方位角一同输入，参数编辑完成后，在每个段落内取整桩号计算平面及高程，查看数据编辑是否正确。

②结构物信息的编辑。参数信息有：结构物交角、前边线距离、后边线距离、各部位高程，参数编辑完后进行验算。

3.5 RTK放样与检核

①采用双基站的不同差分模式。大桥施工中，充分利用双基站在该区域形成的信号重叠，利用双信号进行测区放样点的检核，提高测量的准确度，防止偶然误差对观测值的影响。

②经常进行控制点的复核。路线平面及高程放样过程中，经过控制点时，需要经常性的复核，查看仪器的精度。如出现偏差，分析产生的原因，重新导入转换参数，或者进行单点校准，避免误差会累计。

3.6 精度分析与评价

双基站GPSRTK测量模式，采用相对定位原理，基准站实现24h的不间断卫星观测，终端接收机实时获取待测点的三维坐标，我们将双基站GPSRTK测量数据与GPS静态平面数据、四等水准高程数据进行对比，发现此项技术获取的三维坐标精度已经非常高，可以代替传统测量。

4 技术优势

双基站GPSRTK测量优势：①实现不间断的GPS信号覆盖，为单兵测量提供技术基础；②基于固定基准站的高精度的WGS84坐标数据获取，在理论上获取了较为严密的WGS84坐标解；③基于全线路高等级控制点的测区转换参数的拟合，实现了WGS84坐标向施工坐标的转换；④基于双信号通道的测量模式，提供多余观测的检核；⑤实时的测量放样技术支持。

5 技术应用效益分析

①节省工期：传统RTK测量时，每次测量前的基准站架设，参数校正等准备工作平均耗时1h左右，以一天2次的基准站架设，可以节省大量的测量准备时间。

②节约成本：采用家庭电源及固定的基准站，减少了GPS电池损耗及接收机精度维护损耗，减少了仪器维修及电池更换费用。

③提高工程质量：单基准CORS站实现全线路信号的统一覆盖，保证测量数据的一致性，避免了因不断的迁站及参数求解所造成的测量精度及效率的下降。

6 结语

双基站GPSRTK技术在沙漠区域公路施工测量中的应用，解决了高速施工状态下的测量控制技术，以较小的费用实现了实时的测量技术支持，保证了测量的精度。由于西部地区资源的匮乏，后续施工中可以对系统电源部分进行改进，采用太阳能进行供电，实现绿色能源的应用。

参考文献：

[1]张碧琴，毛治国，张旭.基于CORS的高精度GPS测量方法在公路测量中的应用研究[J].公路交通科技.

[2]黎曦.基于CORS技术的林区公路测量及实例分析[J].东南大学学报.

[3]GBT 18314-2009，全球定位系统（GPS）测量规范[S].