基于GNSS定位技術(shù)的軌道幾何參數(shù)測(cè)量方法

路計(jì)哲

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

鐵路軌道幾何參數(shù)包括外部幾何參數(shù)(包括平面坐標(biāo)和高程)和內(nèi)部幾何參數(shù)(包括軌距、軌距變化率、超高、水平、扭曲、軌向、高低、正矢，其中軌向和高低通常又統(tǒng)稱為平順性參數(shù)[1-2]。高速鐵路軌道平順性又有短波和長(zhǎng)波之分)。軌道幾何參數(shù)是直接影響鐵路運(yùn)行安全的關(guān)鍵參數(shù)之一，在鐵路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修階段，均需對(duì)各參數(shù)進(jìn)行可靠測(cè)量。在高速鐵路的施工階段，各個(gè)標(biāo)段單獨(dú)對(duì)各自標(biāo)段內(nèi)的線路進(jìn)行施工測(cè)量，致使各標(biāo)段之間連接處CPⅢ出現(xiàn)錯(cuò)位，從而造成軌道外部幾何參數(shù)和軌道平順性參數(shù)測(cè)量出現(xiàn)變異，盡管測(cè)量后做了數(shù)據(jù)處理，但這種處理僅限于圖上，并非對(duì)線路的實(shí)際調(diào)整，事實(shí)上也無法調(diào)整，因此給后期的養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量造成隱患。在高速鐵路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，軌道測(cè)量?jī)x對(duì)軌道外部幾何參數(shù)的測(cè)量在CPⅢ 坐標(biāo)系下完成，其測(cè)量效率很低，無法滿足線路養(yǎng)護(hù)維修的需求[3-4]。同時(shí)，CPⅢ的坐標(biāo)是以衛(wèi)星定位得到的CP0逐級(jí)加密平差得到CPⅠ,CPⅡ而最終得到的，因此其相對(duì)位置坐標(biāo)的誤差雖然很小，但其絕對(duì)坐標(biāo)的誤差卻逐級(jí)積累變大；況且線路的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致CPⅢ發(fā)生變形，這些因素均會(huì)導(dǎo)致軌道外部幾何參數(shù)測(cè)量誤差變大。

近年來，隨著GNSS定位技術(shù)的不斷提高及載波相位差分技術(shù)在鐵路施工中的推廣應(yīng)用，GNSS定位技術(shù)在軌道測(cè)量中的應(yīng)用取得了顯著進(jìn)展，測(cè)量精度也不斷提高。將GNSS接收機(jī)放置在線路兩側(cè)作為基準(zhǔn)站進(jìn)行組網(wǎng)及聯(lián)合解算，得到各GNSS基準(zhǔn)站高精度的絕對(duì)坐標(biāo)，將其作為軌道測(cè)量時(shí)的定位基準(zhǔn)站；并利用GNSS技術(shù)對(duì)軌道測(cè)量時(shí)的特征點(diǎn)進(jìn)行精確定位，將會(huì)提高軌道測(cè)量時(shí)外部幾何參數(shù)的測(cè)量精度。

1 線路基準(zhǔn)站網(wǎng)的設(shè)計(jì)

1.1 定位基準(zhǔn)站的布設(shè)

在鐵路線路兩側(cè)每隔2～5 km按“之”字形布設(shè)GNSS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站將觀測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心對(duì)接收到的各基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模聯(lián)合解算，得到各個(gè)基準(zhǔn)站高精度的三維坐標(biāo)。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，由GNSS定位解算得到的高鐵基準(zhǔn)站精度可以達(dá)到[5]平面精度≤1 mm，高程精度≤2 mm。

1.2 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理

基準(zhǔn)站網(wǎng)的解算采用精密長(zhǎng)基線數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行[6]。通過各個(gè)基準(zhǔn)站與IGS(International GNSS Service)站聯(lián)合解算獲取基準(zhǔn)站較為精確的絕對(duì)地心坐標(biāo)，對(duì)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行單基線解算，再按照預(yù)先設(shè)定的閉合條件，對(duì)單基線計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三角形閉合差檢查。若單基線三角形閉合差檢查通過，則將全部基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)組網(wǎng)解算，并以組網(wǎng)計(jì)算的結(jié)果作為最終結(jié)果。

2 軌道幾何參數(shù)測(cè)量

2.1 GNSS軌檢儀的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)軌檢儀上加裝GNSS接收機(jī)，通過GNSS接收機(jī)得到軌道特定點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。由于GNSS接收機(jī)的當(dāng)前定位精度還不能滿足軌道定位測(cè)量中要求的定位精度，為提高GNSS定位解算精度及解算效率，在軌檢儀上適當(dāng)?shù)南鄬?duì)位置安裝2～3臺(tái)接收機(jī)，同時(shí)測(cè)量加裝了GNSS接收機(jī)的軌檢儀(以下簡(jiǎn)稱GNSS軌檢儀)的坐標(biāo)位置，增加平差的約束條件，提高定位結(jié)果解算精度。

2.2 流動(dòng)站數(shù)據(jù)處理

GNSS軌檢儀上的流動(dòng)站數(shù)據(jù)處理需要在高鐵基準(zhǔn)站網(wǎng)的解算完成之后進(jìn)行。采用精密短基線數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行，以基準(zhǔn)站網(wǎng)解算的精確坐標(biāo)作為已知值，將所有基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算[7]。再將軌檢儀上GNSS接收機(jī)的間距作為約束條件，進(jìn)行附加限制條件的解算，并以此作為GNSS軌檢儀位置的最終結(jié)果。

2.3 數(shù)據(jù)融合處理

為得到軌道的外部幾何參數(shù)，需要將流動(dòng)站測(cè)量得到的特定點(diǎn)數(shù)據(jù)和軌檢儀慣性測(cè)量的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。首先，通過軌檢儀的慣性測(cè)量得到線路的趨勢(shì)；其次，通過線路的設(shè)計(jì)坐標(biāo)和特征點(diǎn)的實(shí)測(cè)坐標(biāo)得到線路的約束條件[8]；最后，將線路的趨勢(shì)和約束條件進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，利用融合后的數(shù)據(jù)計(jì)算出軌道任意點(diǎn)內(nèi)、外部幾何參數(shù)。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

從根本上講，在軌檢儀上加裝GNSS接收機(jī)屬于對(duì)傳統(tǒng)的軌檢儀與全站儀組合(即相對(duì)+絕對(duì))測(cè)量方法的改進(jìn)，軌檢儀的內(nèi)部參數(shù)測(cè)量結(jié)果與特定點(diǎn)的GNSS的外部參數(shù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。因此這里只對(duì)GNSS軌檢儀的外部參數(shù)的測(cè)量不確定度進(jìn)行分析，來驗(yàn)證GNSS接收機(jī)與全站儀的等效性，進(jìn)而驗(yàn)證GNSS軌檢儀的可靠性。

GNSS軌檢儀外部幾何參數(shù)測(cè)量不確定度的主要來源為流動(dòng)站定位誤差、固定站定位誤差、小車姿勢(shì)誤差。通過試驗(yàn)可得以上各影響因素的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)而得到以上各影響因素導(dǎo)致的橫向位置、垂向位置測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

則其橫向位置、垂向位置測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度分別為：U(h)=3.6 mm，U(v)=6.0 mm。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在試驗(yàn)區(qū)段范圍內(nèi)布設(shè)3臺(tái)GNSS接收機(jī)，作為本次試驗(yàn)的基準(zhǔn)站網(wǎng)。在實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)區(qū)段長(zhǎng)度通常比較短。此時(shí)，為保證驗(yàn)證效果，將GNSS基準(zhǔn)站安裝在該段線路內(nèi)的3個(gè)CPⅡ 上，以其坐標(biāo)作為試驗(yàn)區(qū)段平面和高程坐標(biāo)基準(zhǔn)值的來源。為驗(yàn)證GNSS軌檢儀測(cè)量數(shù)據(jù)能否滿足養(yǎng)護(hù)維修的要求，沿軌道方向每隔5 m設(shè)置1個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，采用上述方法和軌道測(cè)量?jī)x分別對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的軌道幾何參數(shù)測(cè)量3次，再將兩者的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)(即計(jì)算相應(yīng)特定點(diǎn)的差值)。實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)中2種方法測(cè)量結(jié)果的橫向偏差差值如表2所示。表中x1,x2分別為GNSS軌檢儀和軌道測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果。

表2 GNSS軌檢儀與軌道測(cè)量?jī)x橫向偏差差值統(tǒng)計(jì)

對(duì)于高程測(cè)量，高速鐵路從應(yīng)用效果上考慮，更強(qiáng)調(diào)相對(duì)高程的重要性。鐵運(yùn)[2012]83號(hào)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中規(guī)定，線路CPⅢ的高程容許相對(duì)誤差為2.0 mm。傳統(tǒng)測(cè)量方法是采用水準(zhǔn)儀在CPⅡ 基礎(chǔ)上進(jìn)行高程測(cè)量，但其測(cè)量效率比較低。就目前GNSS的高程定位測(cè)量而言，尚不能滿足高速鐵路檢測(cè)的需要(但定點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是完全可行的)。但是高程的傳統(tǒng)測(cè)量方法存在誤差積累，距離越長(zhǎng)，誤差越大，而GNSS方法不存在誤差積累，只要尋找到提高GNSS快速測(cè)量高程精度的方法，不僅能從根本上改善傳統(tǒng)方法的弊端，而且還能大大提高測(cè)量效率。

5 結(jié)論

利用GNSS定位技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)軌道外部幾何參數(shù)的測(cè)量，還能顯著提高軌道測(cè)量的效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，GNSS接收機(jī)與傳統(tǒng)軌檢儀結(jié)合，在線路上的綜合測(cè)量效率能夠達(dá)到2 km/h，遠(yuǎn)優(yōu)于目前高速鐵路上軌道測(cè)量?jī)x逐枕測(cè)量的效率(每個(gè)天窗時(shí)間實(shí)際測(cè)量不超過300 m)，更好地滿足線路養(yǎng)護(hù)維修的需要。基準(zhǔn)站網(wǎng)通過對(duì)整個(gè)線路的基準(zhǔn)站進(jìn)行整體的解算處理，不僅可以作為軌道測(cè)量時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)，而且可以作為線路路基變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)還能從根本上解決現(xiàn)行測(cè)量方法中因CPⅢ坐標(biāo)穩(wěn)定性不好帶來的頻繁復(fù)測(cè)問題。