DGPS技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用

羅年有， 李聰旭， 王英杰， 孫慧

（北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

0 引言

隨著GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1］地建立和完善，接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)在鐵路行業(yè)各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如房屋勘測(cè)［2］、軌道采集、應(yīng)急救援等，這些工作大多采用GPS接收衛(wèi)星反饋的數(shù)據(jù)。鐵路行業(yè)對(duì)采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度要求很高［3］，普通手機(jī)接收到的GPS數(shù)據(jù)達(dá)不到應(yīng)用要求，需要進(jìn)一步研究如何獲得更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

1 GPS定位及誤差

GPS通過(guò)觀察、測(cè)量1組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間、鐘差等實(shí)現(xiàn)定位。想要獲得地面點(diǎn)的三維空間數(shù)據(jù)，必須對(duì)至少4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，在定位過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生3部分誤差，第一部分是公有的衛(wèi)星誤差，如星歷、電離層、對(duì)流層、衛(wèi)星鐘誤差等；第二部分是傳遞誤差，由衛(wèi)星發(fā)射到用戶(hù)接受所延遲的時(shí)間導(dǎo)致；第三部分則是內(nèi)部誤差，如接收機(jī)內(nèi)部噪聲、通道、多路徑效應(yīng)誤差等［4］。

2DGPS技術(shù)

GPS提供了2種服務(wù)，一種是精確定位服務(wù)（PPS），一種是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）［5］，精確定位服務(wù)不公開(kāi)提供，地圖定位都是標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)因人為因素造成誤差，降低了精度，想要獲取高精度坐標(biāo)的用戶(hù)需要使用差分技術(shù)，提高標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)精度，從而形成了差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）。

DGPS工作原理是基站通過(guò)觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)算出一個(gè)地點(diǎn)定位數(shù)據(jù)，和已知的該地點(diǎn)高精度數(shù)據(jù)相比較，得到一個(gè)修正量，將修正量通過(guò)廣播或數(shù)據(jù)鏈的形式傳遞給用戶(hù)，用戶(hù)使用該修正量對(duì)自己獲取的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，從而得到較高精度的定位數(shù)據(jù)。差分GPS可以消除第一部分誤差和部分第二部分誤差，第三部分誤差則無(wú)法消除。根據(jù)發(fā)送修正量?jī)?nèi)容的不同，DGPS可分為三大類(lèi)：位置差分、偽距差分和相位差分［6］，差分方式雖然不同，但原理相同，都是發(fā)送修正量，不同的是修正量?jī)?nèi)容不同，精度也不同。

2.1 位置差分

位置差分是最簡(jiǎn)單的一種差分技術(shù)，使用非常局限，它要求用戶(hù)和基準(zhǔn)站觀測(cè)的是同一組衛(wèi)星，而且兩者之間相距不超出100 km，數(shù)據(jù)精度較其他方式低，數(shù)學(xué)模型也比較簡(jiǎn)單。位置差分技術(shù)發(fā)送的數(shù)據(jù)是一段位置改正數(shù)矢量，工作原理見(jiàn)圖1，P’點(diǎn)是基準(zhǔn)站觀測(cè)的定位位置，P點(diǎn)是基準(zhǔn)站已知的定位位置，由于各種誤差的影響，P點(diǎn)和P’一般不會(huì)重合，P’P是位置差分中的改正數(shù)矢量，基準(zhǔn)站將矢量發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)GPS獲得的數(shù)據(jù)和矢量進(jìn)行運(yùn)算得到較高精度的坐標(biāo)。

圖1 位置差分技術(shù)工作原理

2.2 偽距差分

偽距差分是目前運(yùn)用比較廣泛的一種技術(shù)，相對(duì)位置差分技術(shù)而言，它不要求用戶(hù)和基準(zhǔn)站觀測(cè)同一組衛(wèi)星，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，其發(fā)送的數(shù)據(jù)是一串?dāng)?shù)據(jù)鏈，包括偽距、偽距改正數(shù)、偽距改正數(shù)的變化率等，假設(shè)已知基準(zhǔn)站的坐標(biāo)為X0、Y0、Z0，衛(wèi)星坐標(biāo)為Xj、Yj、Zj，則基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的實(shí)際距離為：

如果基準(zhǔn)站檢測(cè)到的偽距為，則偽距改正數(shù)

偽距改正數(shù)的變化率為d為：

用戶(hù)通過(guò)GPS獲得的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)鏈中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲得改正后的偽距如下：

假設(shè)用戶(hù)坐標(biāo)為（X（t），Y（t），Z（t）），其計(jì)算公式為：

式中：cδt（t）為用戶(hù)接收機(jī)相對(duì)基準(zhǔn)站的鐘差；Vi為用戶(hù)接收機(jī)的噪聲。通過(guò)一組數(shù)據(jù)代入公式，消除不需要求解的參數(shù)，從而求解X（t）、Y（t）、Z（t）［7］。

2.3 相位差分

相位差分是精度最高的差分技術(shù)，通過(guò)計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的載波相位來(lái)計(jì)算定位坐標(biāo)。不受距離影響，不需要用戶(hù)和基準(zhǔn)站參考同一組衛(wèi)星，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，發(fā)送數(shù)據(jù)也是一串?dāng)?shù)據(jù)鏈，假設(shè)衛(wèi)星播發(fā)信號(hào)為φj(Tk)，接收機(jī)本地參數(shù)信號(hào)為φk(Tk)，接收機(jī)鐘差為，模糊度為，那么相位觀測(cè)量方程如下：

式中：用戶(hù)關(guān)心的坐標(biāo)X、Y、Z就隱含在中，通常將相位觀測(cè)量做一些組合，消除不必求出的參數(shù)，求解出用戶(hù)關(guān)心的坐標(biāo)，常用的組合方式有單差、雙差、三差。單差是2個(gè)接收站之間同一個(gè)衛(wèi)星同步載波相位取差；雙差是在單差基礎(chǔ)上，不同衛(wèi)星之間再取差；三差是在雙差基礎(chǔ)上，不同歷元之間再取差［8］。

3 市場(chǎng)調(diào)研及實(shí)現(xiàn)方案

差分GPS技術(shù)的核心算法需要硬件支持，市場(chǎng)上普通手機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足要求，無(wú)法做到高精度定位，只有安裝特制板卡才能通過(guò)差分技術(shù)獲取高精度坐標(biāo)。而這些算法、板卡制作、定制終端制作是一套復(fù)雜而且有難度的工作流程，需要特定的高知識(shí)團(tuán)隊(duì)完成。目前已有成熟的技術(shù)，各大商家開(kāi)發(fā)了很多手持終端，只要使用這種終端再集成差分算法就可以獲取高精度坐標(biāo)。

用戶(hù)使用安卓系統(tǒng)獲取高精度定位的流程為三大步驟：第一步通過(guò)賬號(hào)、密碼、IP、端口等數(shù)據(jù)連接基站獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)；第二步根據(jù)數(shù)據(jù)源和內(nèi)置板卡計(jì)算出高精度坐標(biāo)；第三步將高精度坐標(biāo)返還給用戶(hù)使用。

各大商家APP集成差分算法的方式主要有以下幾種：

（1）SDK集成。將計(jì)算算法打包封裝成SDK，開(kāi)發(fā)者只需要將SDK集成至APP，根據(jù)API文檔傳入賬號(hào)、密碼、IP、端口等信息，調(diào)用對(duì)應(yīng)接口連接基站、獲取高精度坐標(biāo)即可。其特點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單；不需要和其他APP或者小程序進(jìn)行交互；因?yàn)榧闪薙DK，APP的體積會(huì)增大；不支持更換終端，SDK只支持自家的終端，如果更換終端，SDK無(wú)法使用。

（2）應(yīng)用交互集成。商家開(kāi)發(fā)的APP或者小程序完成了通過(guò)賬號(hào)、密碼、IP、端口連接基站、獲取高精度的操作，開(kāi)發(fā)者只需要在自己的APP中向商家APP發(fā)送指令、連接服務(wù)、返回高精度數(shù)據(jù)即可。其特點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單；需要和其他APP或小程序交互，終端必須同時(shí)安裝自己的APP和商家的APP或小程序；因?yàn)椴恍枰蒘DK，APP的體積不會(huì)改變；也不支持更換終端，因?yàn)樯碳褹PP不同，交互方式不同。

（3）底層交互集成。商家開(kāi)發(fā)的APP或者小程序完成了通過(guò)賬號(hào)、密碼、IP、端口連接基站、獲取高精度的操作，將高精度坐標(biāo)下發(fā)到安卓系統(tǒng)的底層，開(kāi)發(fā)者直接從底層獲取高精度坐標(biāo)。其特點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單；直接和底層交互，雖然不需要和商家APP進(jìn)行交互，但要安裝商家APP，需要連接差分服務(wù)，向底層發(fā)送高精度坐標(biāo)；不需要集成SDK，APP的體積不會(huì)變；因?yàn)閺牡讓荧@取數(shù)據(jù)的接口是安卓標(biāo)準(zhǔn)API，所以支持更換終端。

4 鐵路勘測(cè)中的作業(yè)模式

隨著專(zhuān)業(yè)技術(shù)軟件和硬件的發(fā)展，鐵路行業(yè)已經(jīng)逐漸形成勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、后期管理一體化的數(shù)據(jù)鏈，其中勘測(cè)非常重要，設(shè)計(jì)、施工、后期管理都需要勘測(cè)數(shù)據(jù)的支撐?？睖y(cè)數(shù)據(jù)精度直接影響繪圖標(biāo)準(zhǔn)，從而影響設(shè)計(jì)及施工。在鐵路勘測(cè)行業(yè)中，獲取高精度的地理數(shù)據(jù)非常重要。

4.1 選擇作業(yè)時(shí)段

鐵路沿線地物、地貌復(fù)雜多變，為獲取完整的數(shù)據(jù)，必須根據(jù)衛(wèi)星可見(jiàn)預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)選擇最佳觀測(cè)時(shí)段。衛(wèi)星的幾何分布越好，定位精度就越高，可用Planning軟件查看多項(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo)來(lái)判斷衛(wèi)星的分布情況，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果合理安排工作計(jì)劃。

4.2 建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)

根據(jù)中線放樣資料用GPS靜態(tài)測(cè)量方法建立測(cè)區(qū)控制網(wǎng)，相鄰點(diǎn)間距5～8 km，并與國(guó)家點(diǎn)聯(lián)測(cè)，求出各控制點(diǎn)平面坐標(biāo)，同時(shí)考慮投影變形。變形程度與測(cè)區(qū)地理位置和高程有關(guān)，鐵路線路短則數(shù)十公里長(zhǎng)則上千公里，跨越范圍廣，線路走向、地形情況千差萬(wàn)別，長(zhǎng)度變形各不相同。在三度投影帶邊緣，長(zhǎng)度變形可導(dǎo)致中線樁從圖上反算的放樣長(zhǎng)度與實(shí)地測(cè)量長(zhǎng)度不一致，無(wú)法滿(mǎn)足放樣要求，因此必須采取相應(yīng)措施削弱長(zhǎng)度形。

4.3 高程控制測(cè)量

GPS得到的高程是大地高，而實(shí)際采用的是正常高，需要將大地高轉(zhuǎn)化為正常高。而測(cè)區(qū)的高程異常是未知數(shù)，且高程異常的變化較復(fù)雜，尤其在山區(qū)精度較差。此外，新線定測(cè)要求約每隔2 km設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，而有些地形環(huán)境不能滿(mǎn)足GPS觀測(cè)的條件，采用高程擬合的方法不能保證得到需要的高程精度。完全用GPS替代等級(jí)水準(zhǔn)難度大，因此等級(jí)水準(zhǔn)仍采用水準(zhǔn)儀作業(yè)模式。

4.4 求解轉(zhuǎn)換參數(shù)

合理選擇控制網(wǎng)中已知的WGS84和北京54坐標(biāo)（或地方獨(dú)立網(wǎng)格坐標(biāo)）以及高程的公共點(diǎn)，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，為DGPS動(dòng)態(tài)測(cè)量做好準(zhǔn)備。選擇轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)要注意2個(gè)問(wèn)題：（1）選測(cè)區(qū)四周及中心的控制點(diǎn)均勻分

布；（2）為提高轉(zhuǎn)化精度，最好選3個(gè)以上的點(diǎn)，利用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。

4.5 基準(zhǔn)站設(shè)置

基準(zhǔn)站設(shè)置除滿(mǎn)足GPS靜態(tài)觀測(cè)條件外，還應(yīng)設(shè)在地勢(shì)較高、四周開(kāi)闊的位置，便于電臺(tái)發(fā)射?？稍O(shè)在具有地方網(wǎng)格坐標(biāo)和WGS84坐標(biāo)的已知點(diǎn)，也可在未知點(diǎn)設(shè)站。

4.6 放樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

利用測(cè)量?jī)?nèi)、外業(yè)一體化程序完成全部計(jì)算工作。將線路的起點(diǎn)坐標(biāo)、方位角、加直線長(zhǎng)度及曲線要素輸入，程序根據(jù)里程計(jì)算出全線待放樣點(diǎn)的坐標(biāo)，其中直線上每50 m一個(gè)點(diǎn)，曲線上每10 m一個(gè)點(diǎn)。按相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式將放樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)出成TrimbleDC文件，通過(guò)DataTransfer將Dc文件導(dǎo)入到外業(yè)掌上電腦供外業(yè)調(diào)用。

4.7 外業(yè)操作

將基準(zhǔn)站接收機(jī)設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)，開(kāi)機(jī)后進(jìn)行必要的系統(tǒng)設(shè)置、傳輸設(shè)置及天線高輸入等工作。流動(dòng)站接收機(jī)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)，再進(jìn)行流動(dòng)站設(shè)置和初始化工作。通常公布的坐標(biāo)系統(tǒng)和大地水準(zhǔn)面模型不考慮投影中的當(dāng)?shù)仄?，因此要通過(guò)點(diǎn)校正來(lái)減少這些偏差，獲得更精確的當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格坐標(biāo)，且確保作業(yè)區(qū)域在校正的點(diǎn)范圍內(nèi)［9］。

5 傳統(tǒng)模式與DGPS的差異

傳統(tǒng)的勘測(cè)手段采用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)方法，建立沿線基礎(chǔ)控制測(cè)量、像控測(cè)量，為勘測(cè)階段測(cè)繪1∶2 000比例尺的帶狀地形圖提供依據(jù)［10］。這種技術(shù)需要勘測(cè)人員背負(fù)繁重的勘測(cè)設(shè)備搭建基準(zhǔn)站以及連接高精度的勘測(cè)設(shè)備，當(dāng)勘測(cè)地點(diǎn)是比較陡峭的橋梁或者隧道時(shí)，還需要建立施工安全網(wǎng)，防止意外發(fā)生。該模式的測(cè)量方法受通視和作業(yè)條件限制，作業(yè)強(qiáng)度大、工作效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高，大大延長(zhǎng)了鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)周期，比較嚴(yán)重的缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)時(shí)獲取高精度數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)時(shí)知道定位精準(zhǔn)度，如果作業(yè)完成后，后期處理的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)定位精度不符合要求，必須進(jìn)入測(cè)量地區(qū)進(jìn)行重測(cè)。

DGPS差分技術(shù)正好解決了以上問(wèn)題，只需要一部手機(jī)，就可以進(jìn)行測(cè)量?？睖y(cè)人員到達(dá)勘測(cè)地區(qū)后，只需將手機(jī)上的CORS連接功能打開(kāi)就可實(shí)時(shí)獲取高精度的數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)崟r(shí)觀察到定位數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，可以根據(jù)精準(zhǔn)度來(lái)抉擇是否選取、保存數(shù)據(jù)。這樣觀測(cè)1個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)只需幾秒時(shí)間就能完成測(cè)量。相比傳統(tǒng)模式測(cè)量，大大減少了人力和時(shí)間。只要保證獲取定位數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，繪圖設(shè)計(jì)及后期處理就沒(méi)有問(wèn)題。

6DGPS技術(shù)特點(diǎn)

鐵路勘測(cè)技術(shù)需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位，DGPS技術(shù)特點(diǎn)如下：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示經(jīng)可靠性檢驗(yàn)的厘米級(jí)精度測(cè)量成果（包括高程）；作業(yè)效率高，每個(gè)放樣點(diǎn)只需停留1～2 s；通常初始化時(shí)間在10 s內(nèi)完成，有不間斷的自我檢核功能；操作簡(jiǎn)單易學(xué)，圖形化的放樣界面，現(xiàn)場(chǎng)操作員可在幾分鐘內(nèi)學(xué)會(huì)使用；采用徠卡的新型技術(shù)，跟蹤衛(wèi)星能力強(qiáng)，抗干擾、能抑制多路徑效應(yīng)等。

7 結(jié)束語(yǔ)

DGPS通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的差分來(lái)提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，其核心是差分算法和板卡。實(shí)現(xiàn)高精度坐標(biāo)的獲取，首先需要1臺(tái)帶有特定板卡的終端，然后在終端上連接基準(zhǔn)站獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)，差分計(jì)算后返回高精度坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

鐵路行業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)，在手持終端的APP中，通過(guò)集成DGPS服務(wù)可以有效幫助GPS數(shù)據(jù)提高精準(zhǔn)度，降低開(kāi)發(fā)高精度數(shù)據(jù)的難度，簡(jiǎn)單、快速獲取到高精度的坐標(biāo)信息。目前差分服務(wù)的集成方式有3種：SDK集成、應(yīng)用交互集成和底層交互集成。3種方式各有優(yōu)劣，根據(jù)實(shí)際情況選擇最符合條件的集成方式。

DGPS在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用，極大地提高了勘測(cè)精度和勘測(cè)效率。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧道勘測(cè)，可以直接進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)放樣、中樁測(cè)量、點(diǎn)位測(cè)量等。DGPS技術(shù)不僅可達(dá)到較高的定位精度，而且大大提高了測(cè)量工作效率，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，大大減輕測(cè)量人員的內(nèi)、外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。