淺談GNSS在高速鐵路CPIII精密控制測量中的應(yīng)用

吳業(yè)平

摘要：隨著我國高速鐵路的發(fā)展，高速鐵路精密控制測量在高速鐵路工程領(lǐng)域的作用也就越來越明顯。傳統(tǒng)的高速鐵路工程測量使用的測角與邊不能適用現(xiàn)在的時代需求，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)以及實際工程項目為向?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)測量的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析處理是重點和難點。

關(guān)鍵詞： 高速鐵路;GNSS系統(tǒng);CPIII測量

一、前言

（一）問題的提出

近年來，隨著全球科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測量領(lǐng)域取得了突出的成就，由原來傳統(tǒng)老式的光電水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀進(jìn)行傳統(tǒng)的測角量邊到如今借助衛(wèi)星通信技術(shù)的信息化測量，特別是在高速鐵路工程領(lǐng)域，基于GPS導(dǎo)航的測量定位技術(shù)已經(jīng)在高速鐵路工程測量和監(jiān)測領(lǐng)域取得顯著成效，各項功能和指標(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)域的工程測量會發(fā)生哪些變革，特別是 CPIII精密控制測量領(lǐng)域中，如何對高速鐵路CPⅢ 控制網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以及測量方案技術(shù)研究方法的探討，都具有重要的現(xiàn)實意義。

二、研究結(jié)果及分析

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

（一）基于GNSS技術(shù)的定位原理與優(yōu)勢

將 2 臺以上的 GNSS 接收機(jī)安置在固定的測站上 （相鄰測站點間距<1km），同步觀測四顆以上的衛(wèi)星 30～90min，測量出測站點 P 至 4 顆以上 GNSS 衛(wèi)星的距離，并解算出該時刻衛(wèi)星的空間位置，據(jù)此利用空間距離后方交會法可解算出測站點 P的三維坐標(biāo)。即三維三邊測量法（見圖 1），3 個距離觀測值可以解算出 1 個點的緯度、經(jīng)度與大地高程，其他多余觀測量進(jìn)行位置修正。

GNSS 靜態(tài)相對定位測量有以下優(yōu)點：

1）效率高：GLONASS、GPS 衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星取消 SA 的干擾，使其測試精度提高了 3 倍。在靜態(tài)、動態(tài)及半動態(tài)的工作中，利用 3 個導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)定位速度更快，進(jìn)而加快了整個數(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，增加可觀測的衛(wèi)星數(shù)量，增加的衛(wèi)星數(shù)目會使衛(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 測量技術(shù)可同時精確測定測站點的三維坐標(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)測量的精度要求，特別是對于高速鐵路工程項目監(jiān)測和復(fù)測成果明顯提高其工作效率。

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

（二）GNSS技術(shù)用于高速鐵路CPⅢ控制測量中的精度分析

整個高速鐵路建設(shè)分為勘測設(shè)計階段、施工組織階段、運營維護(hù)階段，每一個階段，測量工作都在其中發(fā)揮了很重要的作用，即時是基礎(chǔ)作用，也是決定工程成敗的關(guān)鍵作用。目前我國鐵路工程測量要求鐵路的勘測設(shè)計控制網(wǎng)、施工組織控制網(wǎng)、運營維護(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（一級基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)）、CPII（二級線路平面控制網(wǎng)）CPⅢ（三級軌道控制網(wǎng)），可見高速鐵路CPⅢ精密控制測量技術(shù)是整個高速鐵路測量中很重要的環(huán)節(jié)。而CPIII精密控制測量網(wǎng)的方案技術(shù)設(shè)計主要包括精度指標(biāo)的合理確定，觀測的技術(shù)要求以及控制網(wǎng)的建立三個方面。

在GNSS系統(tǒng)內(nèi)測量：精度指標(biāo)是以最新的高速鐵路測量規(guī)范為依據(jù)，是基于GNSS系統(tǒng)環(huán)境下建立起的CPIII精密控制測量網(wǎng)，CPIII控制網(wǎng)分初級和加密級兩個等級進(jìn)行布設(shè)。首級GNSS控制網(wǎng)的等級為CPIII初級控制網(wǎng)，次級GNSS控制網(wǎng)的等級為CPIII等級加密控制網(wǎng)。加密級完全在初級的控制之下，CPIII初級控制網(wǎng)點均勻布設(shè)，覆蓋整個高速鐵路工程沿線?？刂凭W(wǎng)高速鐵路線路呈網(wǎng)狀布設(shè)。每8個點組成的CPIII初級控制網(wǎng)按照GNSS控制網(wǎng)精度要求進(jìn)行外業(yè)觀測測量，采用8臺天寶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，每條邊觀測時段不少于2個，每個時段不短于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6。觀測時天線整平對中誤差不大于1mm，每時段觀測前后各量取天線高1次，兩次互差小于3mm，取其平均值作為最后觀測值。

以具體的鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標(biāo)段的為例，本測區(qū)位于位于湖北省襄陽市襄州區(qū)峪山鎮(zhèn)、東津新區(qū)境內(nèi)，起訖線路里D1K386+961.408-D1K391+924.180。本測區(qū)平面坐標(biāo)系采用既有精測網(wǎng)的工程獨立坐標(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)采用既有精測網(wǎng)高程系統(tǒng)，即1985國家高程基準(zhǔn)。本測區(qū)CP，CPⅢ高程控制網(wǎng)共測量CPⅢ點186個，聯(lián)測二等水準(zhǔn)加密點6個（386JMH22、388JMH21、389JMH21、390JMH21、391JMH21、392JMH21）。

測量方法采用自由測站邊角交會方法對本測區(qū)CPⅢ點進(jìn)行平面測量，并與CPIII同等級加密控制點進(jìn)行了聯(lián)測;采用矩形環(huán)單程水準(zhǔn)路線方法對本測區(qū)CPⅢ點進(jìn)行高程測量，并與二等水準(zhǔn)點、二等水準(zhǔn)加密點進(jìn)行聯(lián)測。

測量設(shè)備1）徠卡GNSS 接收機(jī)8臺套，均檢定合格;2）徠卡配套 TS60型全站儀1臺，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)兼容并能接收多個衛(wèi)星信號。

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

本測區(qū)路基段CPⅢ點成對埋設(shè)在路基上設(shè)置的專用控制樁上，橋梁段CPⅢ點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控制點的布設(shè)與傳統(tǒng)的測量方法不同，是按下列要求執(zhí)行：天線安置的對中誤差不應(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;觀測作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按調(diào)度表進(jìn)行，保證同步觀測同一組衛(wèi)星，不得中間關(guān)機(jī)，改變天線位置或觀測參數(shù)及進(jìn)行其他調(diào)試等觀測中，應(yīng)避免在接收機(jī)近旁使用無線電通信工具;觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站，并應(yīng)防止儀器受震動和被移動，防止人與其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號;作業(yè)同時應(yīng)填好觀測手簿，包括控制點點名、接收機(jī)序列號、儀器高、天線類型、開關(guān)機(jī)時間等相關(guān)的測站信息，不得缺項。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，作業(yè)前對衛(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)一印制的觀測手簿進(jìn)行記錄。觀測過程中，定時檢查接收機(jī)觀測狀況，并量取天線高，精確至1mm。

經(jīng)對比分析，中誤差和閉合差以及限差數(shù)值均小于傳統(tǒng)測量方法的數(shù)值，項目在實施過程中，為提高龐大的內(nèi)業(yè)計算效率，項目組采用了若干軟件，包括導(dǎo)線邊長高斯投影改化、高程歸化等軟件，通過最新軟件的應(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)行計算，上百個導(dǎo)線邊長需要一天的時間，采用最新的導(dǎo)線邊長改化軟件后，此項工作只需要幾分鐘的時間。CPIII控制網(wǎng)的定點數(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)星定位控制點聯(lián)測，保證了點坐標(biāo)精確度的統(tǒng)一。其次CPIII精密控制網(wǎng)的各項指標(biāo)均小于限差，滿足規(guī)范要求;通過上述精度分析表明，鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標(biāo)段CPIII精密控制網(wǎng)各項精度指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，可作為整個鄭萬高鐵工程測量的測繪基準(zhǔn)點，為進(jìn)一步的軌道控制網(wǎng)CPIII和軌道基準(zhǔn)網(wǎng)GRP的建立打下堅實基礎(chǔ)。

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

以具體的鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標(biāo)段的為例，本區(qū)段CPⅢ平面網(wǎng)共觀測CPⅢ控制點186個，聯(lián)測CPⅡ同等級精度加密控制點10個。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)各重疊測量了6對CPⅢ點，由表可知，本區(qū)段與相鄰小里程段的CPⅢ平面網(wǎng)，搭接處的重疊點獨立平差坐標(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)過渡，本次搭接處理過程中除了使用獨立平差時使用的約束點外，還采用了重疊處上一區(qū)段的部分CPⅢ成果作為起算點，其搭接后約束平差的精度情況如表所示，約束平差后重疊測量的CPⅢ點前后區(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精密控制測量作業(yè)，由于獲得的衛(wèi)星通信信號要強于單獨的GPS衛(wèi)星通信信號，且通過比較其精確度與各項指標(biāo)值均高于傳統(tǒng)測量作業(yè)方法，隨著北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的越來越完善，其精確度和靈敏度也會越來越好，那么這種兼容性的GNSS系統(tǒng)下的各種測量儀器設(shè)備也會越來越多，因此GNSS控制測量也是大勢所趨，特別是高速鐵路測量領(lǐng)域內(nèi)，由于高速鐵路要求高平順性，并且在設(shè)計、施工、運營過程中都需要測量，因此工程量大，測量任務(wù)繁重，特別是在監(jiān)測過程中，細(xì)微的變動都會引起很大誤差，需要對CPIII控制測量網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)測也是趨勢之一，那么對CPIII控制測量技術(shù)進(jìn)行研究具有很大的工程意義和實用價值。

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校級課題：基于GNSS系統(tǒng)的高速鐵路CPIII精密控制測量技術(shù)研究，

項目編號為（2018005）