淺談GNSS在高速鐵路CPIII精密控制測(cè)量中的應(yīng)用

吳業(yè)平

摘 要：隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，高速鐵路精密控制測(cè)量在高速鐵路工程領(lǐng)域的作用也就越來(lái)越明顯。傳統(tǒng)的高速鐵路工程測(cè)量使用的測(cè)角與邊不能適用現(xiàn)在的時(shí)代需求，在GNSS技術(shù)環(huán)境下，高速鐵路軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)精密測(cè)量如何快速獲取精確數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)采集和分析一體化系統(tǒng)以及實(shí)際工程項(xiàng)目為向?qū)нM(jìn)行GNSS接收機(jī)搭載軌檢小車進(jìn)行高速鐵路軌道CPⅢ平面控制網(wǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析處理是重點(diǎn)和難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;GNSS系統(tǒng);CPIII測(cè)量

一、前言

（一）問題的提出

近年來(lái)，隨著全球科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量領(lǐng)域取得了突出的成就，由原來(lái)傳統(tǒng)老式的光電水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀進(jìn)行傳統(tǒng)的測(cè)角量邊到如今借助衛(wèi)星通信技術(shù)的信息化測(cè)量，特別是在高速鐵路工程領(lǐng)域，基于GPS導(dǎo)航的測(cè)量定位技術(shù)已經(jīng)在高速鐵路工程測(cè)量和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得顯著成效，各項(xiàng)功能和指標(biāo)都有比較成功的應(yīng)用。那么在GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)，高速鐵路領(lǐng)域的工程測(cè)量會(huì)發(fā)生哪些變革，特別是 CPIII精密控制測(cè)量領(lǐng)域中，如何對(duì)高速鐵路CPⅢ 控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及測(cè)量方案技術(shù)研究方法的探討，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、研究結(jié)果及分析

基于GNSS系統(tǒng)內(nèi)的高速鐵路CPⅢ精密控制測(cè)量技術(shù)的運(yùn)用研究主要如下：

（一）基于GNSS技術(shù)的定位原理與優(yōu)勢(shì)

將 2 臺(tái)以上的 GNSS 接收機(jī)安置在固定的測(cè)站上 （相鄰測(cè)站點(diǎn)間距<1km），同步觀測(cè)四顆以上的衛(wèi)星 30～90min，測(cè)量出測(cè)站點(diǎn) P 至 4 顆以上 GNSS 衛(wèi)星的距離，并解算出該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置，據(jù)此利用空間距離后方交會(huì)法可解算出測(cè)站點(diǎn) P的三維坐標(biāo)。即三維三邊測(cè)量法（見圖 1），3 個(gè)距離觀測(cè)值可以解算出 1 個(gè)點(diǎn)的緯度、經(jīng)度與大地高程，其他多余觀測(cè)量進(jìn)行位置修正。

GNSS 靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）效率高：GLONASS、GPS 衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星取消 SA 的干擾，使其測(cè)試精度提高了 3 倍。在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及半動(dòng)態(tài)的工作中，利用 3 個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)定位速度更快，進(jìn)而加快了整個(gè)數(shù)據(jù)采集處理的速度。

2）更可靠：提供了更多的高仰角衛(wèi)星，增加可觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量，增加的衛(wèi)星數(shù)目會(huì)使衛(wèi)星幾何分布更好，極大地提高發(fā)現(xiàn)和孤立故障衛(wèi)星的能力，能更好地覆蓋有遮擋的困難地區(qū)。

3）提供三維坐標(biāo)：GNSS 測(cè)量技術(shù)可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，且在通視較好的平原或丘陵地區(qū)，高程擬合（平面擬合）可滿足二等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，特別是對(duì)于高速鐵路工程項(xiàng)目監(jiān)測(cè)和復(fù)測(cè)成果明顯提高其工作效率。

4）測(cè)站點(diǎn)間無(wú)須通視：不要求測(cè)站點(diǎn)之間相互通視，只需測(cè)站上空開闊，點(diǎn)位疏密可根據(jù)需要靈活選擇，可省去常規(guī)高程測(cè)量中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測(cè)量工作。特別是對(duì)于那些橋涵、隧道工程的監(jiān)測(cè)工作，大大提高了可操作性。

（二）GNSS技術(shù)用于高速鐵路CPⅢ控制測(cè)量中的精度分析

整個(gè)高速鐵路建設(shè)分為勘測(cè)設(shè)計(jì)階段、施工組織階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段，每一個(gè)階段，測(cè)量工作都在其中發(fā)揮了很重要的作用，即時(shí)是基礎(chǔ)作用，也是決定工程成敗的關(guān)鍵作用。目前我國(guó)鐵路工程測(cè)量要求鐵路的勘測(cè)設(shè)計(jì)控制網(wǎng)、施工組織控制網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)控制網(wǎng)必須統(tǒng)一坐標(biāo)系和起算基準(zhǔn)，也就是“三網(wǎng)合一”，而高速鐵路施工控制網(wǎng)包括CPI（一級(jí)基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)）、CPII（二級(jí)線路平面控制網(wǎng)）CPⅢ（三級(jí)軌道控制網(wǎng)），可見高速鐵路CPⅢ精密控制測(cè)量技術(shù)是整個(gè)高速鐵路測(cè)量中很重要的環(huán)節(jié)。而CPIII精密控制測(cè)量網(wǎng)的方案技術(shù)設(shè)計(jì)主要包括精度指標(biāo)的合理確定，觀測(cè)的技術(shù)要求以及控制網(wǎng)的建立三個(gè)方面。

在GNSS系統(tǒng)內(nèi)測(cè)量：精度指標(biāo)是以最新的高速鐵路測(cè)量規(guī)范為依據(jù)，是基于GNSS系統(tǒng)環(huán)境下建立起的CPIII精密控制測(cè)量網(wǎng)，CPIII控制網(wǎng)分初級(jí)和加密級(jí)兩個(gè)等級(jí)進(jìn)行布設(shè)。首級(jí)GNSS控制網(wǎng)的等級(jí)為CPIII初級(jí)控制網(wǎng)，次級(jí)GNSS控制網(wǎng)的等級(jí)為CPIII等級(jí)加密控制網(wǎng)。加密級(jí)完全在初級(jí)的控制之下，CPIII初級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)均勻布設(shè)，覆蓋整個(gè)高速鐵路工程沿線?？刂凭W(wǎng)高速鐵路線路呈網(wǎng)狀布設(shè)。每8個(gè)點(diǎn)組成的CPIII初級(jí)控制網(wǎng)按照GNSS控制網(wǎng)精度要求進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)測(cè)量，采用8臺(tái)天寶R4GNSS接收機(jī)（或萊卡系列GNSS接收機(jī)）進(jìn)行外業(yè)靜態(tài)觀測(cè)，每條邊觀測(cè)時(shí)段不少于2個(gè)，每個(gè)時(shí)段不短于90分鐘，衛(wèi)星高度角不小于15°，接收機(jī)采樣間隔設(shè)置為15S，PDOP或GDOP值值不超過(guò)6。觀測(cè)時(shí)天線整平對(duì)中誤差不大于1mm，每時(shí)段觀測(cè)前后各量取天線高1次，兩次互差小于3mm，取其平均值作為最后觀測(cè)值。

以具體的鄭萬(wàn)高鐵湖北段ZWZQ-3標(biāo)段的為例，本測(cè)區(qū)位于位于湖北省襄陽(yáng)市襄州區(qū)峪山鎮(zhèn)、東津新區(qū)境內(nèi)，起訖線路里D1K386+961.408-D1K391+924.180。本測(cè)區(qū)平面坐標(biāo)系采用既有精測(cè)網(wǎng)的工程獨(dú)立坐標(biāo)系，采用參考CGCS2000橢球體，中央子午線為112°30′，投影面大地高為45米，高程異常-22米。高程系統(tǒng)采用既有精測(cè)網(wǎng)高程系統(tǒng)，即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。本測(cè)區(qū)CP，CPⅢ高程控制網(wǎng)共測(cè)量CPⅢ點(diǎn)186個(gè)，聯(lián)測(cè)二等水準(zhǔn)加密點(diǎn)6個(gè)（386JMH22、388JMH21、389JMH21、390JMH21、391JMH21、392JMH21）。

測(cè)量方法采用自由測(cè)站邊角交會(huì)方法對(duì)本測(cè)區(qū)CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行平面測(cè)量，并與CPIII同等級(jí)加密控制點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè);采用矩形環(huán)單程水準(zhǔn)路線方法對(duì)本測(cè)區(qū)CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行高程測(cè)量，并與二等水準(zhǔn)點(diǎn)、二等水準(zhǔn)加密點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

測(cè)量設(shè)備1）徠卡GNSS 接收機(jī)8臺(tái)套，均檢定合格;2）徠卡配套 TS60型全站儀1臺(tái)，儀器標(biāo)稱精度：0.5〞，0.6mm+1.0ppm，檢定合格;3）軌道幾何狀態(tài)檢查車與GNSS系統(tǒng)兼容并能接收多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。

CPⅢ控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)固、可靠、不易破壞和便于測(cè)量的地方。CPⅢ控制網(wǎng)布設(shè)的技術(shù)主要技術(shù)要求如表1所示。

本測(cè)區(qū)路基段CPⅢ點(diǎn)成對(duì)埋設(shè)在路基上設(shè)置的專用控制樁上，橋梁段CPⅢ點(diǎn)在選定位置橋梁固定支座上方防撞墻頂鉆孔進(jìn)行埋設(shè)。 CPⅢ控制點(diǎn)的布設(shè)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法不同，是按下列要求執(zhí)行：天線安置的對(duì)中誤差不應(yīng)大于1mm，天線高量取應(yīng)精確至1mm，在120度方向三次量取，較差不大于2mm取中數(shù)使用;觀測(cè)作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按調(diào)度表進(jìn)行，保證同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星，不得中間關(guān)機(jī)，改變天線位置或觀測(cè)參數(shù)及進(jìn)行其他調(diào)試等觀測(cè)中，應(yīng)避免在接收機(jī)近旁使用無(wú)線電通信工具;觀測(cè)員在作業(yè)期間不得擅自離開測(cè)站，并應(yīng)防止儀器受震動(dòng)和被移動(dòng)，防止人與其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號(hào);作業(yè)同時(shí)應(yīng)填好觀測(cè)手簿，包括控制點(diǎn)點(diǎn)名、接收機(jī)序列號(hào)、儀器高、天線類型、開關(guān)機(jī)時(shí)間等相關(guān)的測(cè)站信息，不得缺項(xiàng)。GNSS控制網(wǎng)采用靜態(tài)作業(yè)模式，采用雙頻接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，作業(yè)前對(duì)衛(wèi)星接收機(jī)和天線等設(shè)備進(jìn)行常規(guī)檢查，采用統(tǒng)一印制的觀測(cè)手簿進(jìn)行記錄。觀測(cè)過(guò)程中，定時(shí)檢查接收機(jī)觀測(cè)狀況，并量取天線高，精確至1mm。

經(jīng)對(duì)比分析，中誤差和閉合差以及限差數(shù)值均小于傳統(tǒng)測(cè)量方法的數(shù)值，項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，為提高龐大的內(nèi)業(yè)計(jì)算效率，項(xiàng)目組采用了若干軟件，包括導(dǎo)線邊長(zhǎng)高斯投影改化、高程歸化等軟件，通過(guò)最新軟件的應(yīng)用，大大提高了作業(yè)效率。此段路標(biāo)CPIII控制網(wǎng)中導(dǎo)線邊長(zhǎng)改化工作，采用常規(guī)方法利用Excel表格編寫相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，上百個(gè)導(dǎo)線邊長(zhǎng)需要一天的時(shí)間，采用最新的導(dǎo)線邊長(zhǎng)改化軟件后，此項(xiàng)工作只需要幾分鐘的時(shí)間。CPIII控制網(wǎng)的定點(diǎn)數(shù)據(jù)采用整體平差的方式，在控制網(wǎng)定位中間盡量與衛(wèi)星定位控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，保證了點(diǎn)坐標(biāo)精確度的統(tǒng)一。其次CPIII精密控制網(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)均小于限差，滿足規(guī)范要求;通過(guò)上述精度分析表明，鄭萬(wàn)高鐵湖北段ZWZQ-3標(biāo)段CPIII精密控制網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，可作為整個(gè)鄭萬(wàn)高鐵工程測(cè)量的測(cè)繪基準(zhǔn)點(diǎn)，為進(jìn)一步的軌道控制網(wǎng)CPIII和軌道基準(zhǔn)網(wǎng)GRP的建立打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（三）在GNSS系統(tǒng)內(nèi)的CPⅢ平面控制測(cè)量中內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析

以具體的鄭萬(wàn)高鐵湖北段ZWZQ-3標(biāo)段的為例，本區(qū)段CPⅢ平面網(wǎng)共觀測(cè)CPⅢ控制點(diǎn)186個(gè)，聯(lián)測(cè)CPⅡ同等級(jí)精度加密控制點(diǎn)10個(gè)。其自由網(wǎng)平差的精度情況如表2所示，搭接前約束網(wǎng)平差的精度情況如表3所示，各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

本區(qū)段與相鄰大、小里程段的CPⅢ平面網(wǎng)各重疊測(cè)量了6對(duì)CPⅢ點(diǎn)，由表可知，本區(qū)段與相鄰小里程段的CPⅢ平面網(wǎng)，搭接處的重疊點(diǎn)獨(dú)立平差坐標(biāo)成果較差均滿足≤3mm的規(guī)范要求，可進(jìn)行下一步搭接處理。為了做好軌道控制網(wǎng)區(qū)段間的銜接，保證CPⅢ平面網(wǎng)精度的平穩(wěn)過(guò)渡，本次搭接處理過(guò)程中除了使用獨(dú)立平差時(shí)使用的約束點(diǎn)外，還采用了重疊處上一區(qū)段的部分CPⅢ成果作為起算點(diǎn)，其搭接后約束平差的精度情況如表所示，約束平差后重疊測(cè)量的CPⅢ點(diǎn)前后區(qū)段坐標(biāo)成果較差情況。

三、研究總結(jié)

在GNSS系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行CPIII精密控制測(cè)量作業(yè)，由于獲得的衛(wèi)星通信信號(hào)要強(qiáng)于單獨(dú)的GPS衛(wèi)星通信信號(hào)，且通過(guò)比較其精確度與各項(xiàng)指標(biāo)值均高于傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)方法，隨著北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的越來(lái)越完善，其精確度和靈敏度也會(huì)越來(lái)越好，那么這種兼容性的GNSS系統(tǒng)下的各種測(cè)量?jī)x器設(shè)備也會(huì)越來(lái)越多，因此GNSS控制測(cè)量也是大勢(shì)所趨，特別是高速鐵路測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，由于高速鐵路要求高平順性，并且在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都需要測(cè)量，因此工程量大，測(cè)量任務(wù)繁重，特別是在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，細(xì)微的變動(dòng)都會(huì)引起很大誤差，需要對(duì)CPIII控制測(cè)量網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也是趨勢(shì)之一，那么對(duì)CPIII控制測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究具有很大的工程意義和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB10601-2009）

[2]孟慶輝，李玉成 多GNSS環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制研究與設(shè)計(jì)[J]衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用

[3]羅顯志，解劍 GNSS實(shí)時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法研究[J]衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用

[4]龔洪 地鐵鋪軌工程中高鐵CPⅢ技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值思考[J]山東工業(yè)技術(shù)

[5]吳恒友黔中水利樞紐一期工程GNSS施工控制網(wǎng)測(cè)設(shè)[J]衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用

[6]王智，胡玉祥，孟慶年，張洪德 青島地鐵8號(hào)線高精度空間基準(zhǔn)建立及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院? 湖北? 武漢? 430205）