白海东 苗昌伟

1 概况

随着GPS技术的迅猛发展,RTK技术已越来越广泛的应用于各个领域,其在铁路勘测中的可靠性和高效率已有了良好的体现,但是由于电台方式的局限性,网络方式也开始被广泛使用,目前最普遍的发展是台站网的建设,但是由于台站网的建设资金高,投入大,周期长,又受区域局限。基于此,我们介绍一种新型单基站工作模式的网络RTK-RTDS。

2 RTDS工作原理

RTDS在工作时,参考站将自己所获得的载波相位观测值及测站位置,通过数据通链实时发给在其周围工作的流动站。于是这些动态用户就根据自己获得的相同历元的载波相位观测值进行实时相对定位,进而根据参考站的站坐标求得自己的瞬时位置。这种工作方式最显著的特点是解决了RTK数据链的问题,同时又有别于传统意义上的单基站模式。

RTDS基站和服务器间的通信是通过手机卡GPRS的网络进行,其形式有些像传统的电台作业模式,但是又不等同于这种方式,外观看来没有电台发射一类的装置,单单只是一个接收机就可实现单基站架设。这个单基站的硬件设备有:带有GSM功能的GPS1+1(最小配置)和服务器,开通GPRS的手机卡服务器软件采用RTDS软件,同时还要求有一个静态IP地址。通过RTDS软件来实现的,RTDS(Real Time Data Server)是一款在PC机安装运行的软件,适用于Windows XP,Windows Vista系统。安装的必要条件就是得有一个静态IP地址。通过软件设置一个端口接收基准站的数据,设置一个端口发送流动的数据。接收基站的数据有两种,一种方式是像传统的架设网络参考站一样,通过一个串口将接收机连接上,进行数据传输。另一种方式是任意架设基准站,通过GPRS连接上网,基准站将数据传输。这种方式灵活简便,可以作为实际操作的一个常用手段。

在RTDS软件中设置相关内容,包括静态地址,基站和流动站的端口,还可以对用户权限进行设置,用密码进行登录。将这些设置好后,进行保存可以随时调用,开机后默认最后一次使用的设置。数据传输格式有:RTCM3.0,RTCM2.3,CMR+,CM R,RTCM-DGPS等几种数据格式。

3 RTDS在铁路测量中的应用及RTK的传输原理

RTDS在实际应用中内外业操作与电台方式的 RTK差不多,铁路测量前首先要采用静态测量方法沿线布设平面控制网,经过严密平差解算,求出各控制点的平面坐标与高程。相邻点间间距5 km～8 km,并与国家点联测,求出各控制点平面坐标。这里需要考虑投影变形的影响,变形的程度与测区地理位置和高程有关。转换参数应采用作业测区内4个～8个已知GPS控制点的两套坐标和高程进行求解,求解转换参数平面控制点不得少于3个,高程点不得少于4个,且应包围作业测区并均匀分布。为了保证测区间线路顺接,每一个测区中应采用3对及3对以上已知的GPS点参与求解转换参数。在本次RTK作业过程中,一般采用6个点求解转换参数,求解转换参数均小于20 mm,每次作业前必须对已知GPS点进行检核,对比坐标、高程应符合限差要求,确保系统正常。做完这些工作后作外业操作也非常简便,通过外业手簿配合实现。用一个开通GPRS流量的手机卡,就是平时我们常用的手机卡,将手机卡装入GPS仪器,通过外业手簿操作,输入固定IP上网将其上网,然后设置基站信息,单基站的基站部分就算架设成功了。它是一个流动的基站,可以随意在需要架设的位置架设仪器。流动站操作起来也同样简单,安装好手机卡后,输入固定IP上网,直接就能获得基准站的数据,开始进行测量。在铁路初测过程中,水文、放孔、控制工点等比较分散,常规RTK需要多次换基站才能满足测量需要,RTDS的优越性显现无遗,几十公里范围不用换基站,而精度又能满足要求。我们在实际应用中,基站和流动站的距离应在25 km以内,能达到最佳效果。RTK是根据GPS的相对定位概念,将一台接收机安置于已知点,即称基准站,另一台或几台接收机放置在用户移动台,同步采集相同卫星的信号,基准站通过数据链实时将其载波观测值和测站坐标信息一起传送给用户移动台。利用相对定位原理,将这些观测值进行差分,削弱和消除轨道误差、钟差、大气误差等的影响,使实时定位精度大大提高。由此可知,RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。与其他差分不同的是,基准台传送的数据是伪距和相位的原始观测值,用户移动接收机利用相对测量方法对基线求解、解算载波相位差分改正值,然后解算出待测点的坐标。

为了削弱卫星星历误差、对流层延迟误差和电离层延迟误差,消除卫星钟和接收机钟的误差的影响,在RTK定位技术中通常都采用双差观测值,其观测方程为:

其中,Δ▽为双差算子(在卫星和接收机间求双差);φ为载波相位观测值;ρ为卫星与接收机的距离,为卫星星历给出的卫星位置矢量,为测站的位置矢量;dρ为卫星星历误差在接收机主卫星方向上的投影;λ为载波的波长;N为载波相位测量中的整周模糊度;dion为电离层延迟;dtrop为对流层延迟;dφ mp为载波相位测量中的多路径误差;ε Δ▽φ为双差载波相位观测值的测量噪声。

公式中的轨道偏差项Δ▽dρ,电离层延迟的残差项Δ▽dion和对流层延迟的残差项Δ▽dtrop都将迅速增加,从而导致难以正确确定整周模糊度,无法得到固定解,定位精度迅速下降。当流动站和参考站之间的距离大于50 km时,常规的单历元解一般只能达到分米级的精度。因此我们在使用这种传输方式时,要考虑因距离带来的精度影响。

4 RTDS技术的优点

1)服务器间架设相对简单,软件非常简易易懂,非专业人员也同样可以进行操作设置。2)基站流动站操作非常简便易学。3)数据传输量非常小,不占用带宽。4)一个基准站和流动站的结合是,流动站数目不超过100个。5)在一个服务器上同时可以开设几个窗口,可以同时带动若干组单基站运行。6)外业操作时基站架设简单,基站单单只是一个接收机就可以实现,电台方式的RTK需要电台、电台天线及连接线等。7)信号强,手机信号覆盖的地方都有无线电信号,而且覆盖范围大,距离远,在常规铁路测量中,有的工点测量比较分散且精度要求不是很高的情况下,优势极为突出,减少了作业过程中频繁挪基站的麻烦。

5 结语

经过上述分析和总结,RTDS技术在实际应用过程中有其独特的优越性,在以后的测量过程中必定发挥更高效的应用。

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