基于CORS站解算布設(shè)鐵路工程CPI控制網(wǎng)應(yīng)用分析

鄭超

摘要 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)手段，基于CORS站的控制測(cè)量方案與鐵路工程測(cè)量“三網(wǎng)合一”理念相適應(yīng)，具有高精度、低成本、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。文章通過(guò)具體項(xiàng)目應(yīng)用，采用兩級(jí)平差的解算思路，分析了基于CORS站布設(shè)CPI控制網(wǎng)方案的優(yōu)勢(shì)，旨在為鐵路工程CPI控制網(wǎng)布設(shè)解算工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞 CORS；控制測(cè)量；兩級(jí)平差；CPI

中圖分類(lèi)號(hào) P228.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）05-0016-03

0 引言

20世紀(jì)90年代，美國(guó)建成了GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并免費(fèi)向所有用戶開(kāi)放，人類(lèi)第一次實(shí)現(xiàn)了獲取自己空間位置信息的能力。但是由于美國(guó)政府的政策控制和自然環(huán)境因素的影響，一般情況下，只采用GPS進(jìn)行定位，精度很低。為了突破美國(guó)的政策障礙，實(shí)現(xiàn)快速高精度定位，出現(xiàn)了衛(wèi)星定位的地面固定基準(zhǔn)站，這是CORS產(chǎn)生的原因，也是CORS發(fā)展的最初目的。

CORS（Continuous Operational Reference System）簡(jiǎn)稱(chēng)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)。主要由數(shù)據(jù)處理中心、GNSS基準(zhǔn)站和用戶端三部分構(gòu)成。系統(tǒng)基于各種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)，將各GNSS基準(zhǔn)站以及數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)處理中心通過(guò)對(duì)各個(gè)基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和播發(fā)，用戶通過(guò)GNSS接收機(jī)獲得差分信息，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位[1]。

黑龍江省衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)（HLJCORS）于2016年6月正式上線試運(yùn)行，是在國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系建設(shè)框架上按照統(tǒng)一規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。系統(tǒng)依托覆蓋全省范圍的122個(gè)基準(zhǔn)站，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤、采集與傳輸，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)自動(dòng)發(fā)布衛(wèi)星定位觀測(cè)數(shù)據(jù)，全天候?yàn)橛脩籼峁┚_的大地坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)基于HLJCORS觀測(cè)的毫米級(jí)的事后數(shù)據(jù)解算服務(wù)[2]。

1 測(cè)區(qū)概況及控制網(wǎng)的布設(shè)

大慶高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)鐵路專(zhuān)用線新建工程項(xiàng)目，位于安達(dá)市和大慶市之間，地處黑龍江省西南部松嫩平原腹地。地貌類(lèi)型屬松花江、嫩江沖積一級(jí)階地。沿線地勢(shì)平坦開(kāi)闊，由東北向西南逐漸低下，地面坡度1/600～1/300。項(xiàng)目在濱洲鐵路安達(dá)站接軌，經(jīng)由安達(dá)市區(qū)向西，下穿改建的濱洲雙線特大橋和哈齊客專(zhuān)，跨越哈大高速和G10國(guó)道后進(jìn)入產(chǎn)業(yè)園區(qū)，線路全長(zhǎng)25.87 km。

2014年項(xiàng)目啟動(dòng)設(shè)計(jì)工作，CPI控制網(wǎng)布設(shè)遵照《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10101—2009）中三等精度指標(biāo)掌握，設(shè)計(jì)沿線布設(shè)16個(gè)平面控制點(diǎn)，采用西安80平面坐標(biāo)系統(tǒng)，同比滿足《全球定位系統(tǒng)GPS測(cè)量規(guī)范》（GB/T 18314—2009）中GPS控制測(cè)量D級(jí)精度。

2019年項(xiàng)目進(jìn)入施工階段，進(jìn)行控制點(diǎn)復(fù)測(cè)后明確有5個(gè)點(diǎn)位丟失，隨即展開(kāi)了控制點(diǎn)補(bǔ)設(shè)工作。在補(bǔ)設(shè)點(diǎn)位選取過(guò)程中，充分考慮了帶狀控制網(wǎng)的短基線和中長(zhǎng)基線混合的實(shí)際情況，本著進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)形的第一原則，盡力降低基線邊長(zhǎng)比提高平差精度的目的，最終補(bǔ)設(shè)5個(gè)永久新點(diǎn)位和2個(gè)臨時(shí)點(diǎn)位。補(bǔ)設(shè)控制點(diǎn)后CPI網(wǎng)形如圖1所示。

2 平面控制網(wǎng)施測(cè)

該次外業(yè)觀測(cè)使用6臺(tái)徠卡GS15雙頻接收機(jī)同步觀測(cè)記錄，合計(jì)觀測(cè)5個(gè)同步時(shí)段，同步觀測(cè)有效時(shí)長(zhǎng)總和超過(guò)450 min。對(duì)比傳統(tǒng)靜態(tài)觀測(cè)方式，至少減少了1個(gè)同步觀測(cè)時(shí)段和3個(gè)已知點(diǎn)位觀測(cè)操作，外業(yè)綜合投入減少約20%[3]。該次外業(yè)18個(gè)點(diǎn)位觀測(cè)指標(biāo)按照表1執(zhí)行（見(jiàn)表1）。

3 數(shù)據(jù)解算及精度

數(shù)據(jù)處理前，采用TEQC軟件對(duì)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)（RINEX文件）進(jìn)行質(zhì)量分析，檢查數(shù)據(jù)可利用率及多路徑效應(yīng)（MP1/MP2）的影響程度，數(shù)據(jù)可利用率均大于85%，多路徑影響均小于0.5 m，滿足解算精度要求。同時(shí)，收集到觀測(cè)區(qū)域周邊的HLJCORS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站5座，分別是大慶站（DQLF）、大同站（DQDT）、林甸站（DQLD）、安民站（SHAM）和青岡站（SHQG），所有基準(zhǔn)站的西安80坐標(biāo)均已知，其中大慶站和安民站擬用于檢核坐標(biāo)解算精度。

進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算時(shí)，選用的5座基準(zhǔn)站與布設(shè)的16處控制點(diǎn)之間有十幾千米甚至幾十千米的距離，如果直接將CORS站點(diǎn)與所有點(diǎn)位進(jìn)行統(tǒng)一平差，受基線邊長(zhǎng)比的影響，勢(shì)必會(huì)降低約束平差后成果精度和可靠度。為此，經(jīng)過(guò)研究分析，決定先選取5個(gè)合理點(diǎn)位進(jìn)行框架平面控制網(wǎng)CP0解算，網(wǎng)形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基線解算完成后，將基線解算成果導(dǎo)入CosaGPS軟件中，進(jìn)行同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差檢核。經(jīng)檢核，同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差均合格，未超限。利用大同站、林甸站和青岡站的已知西安80坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維無(wú)約束平差和三維約束平差，求出CP0各控制點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)、大地坐標(biāo)及高斯投影后的平面坐標(biāo)。求出各5個(gè)點(diǎn)位在西安80坐標(biāo)系下的坐標(biāo)中誤差如表2所示。

此時(shí)最弱邊為GPS2—X1，其相對(duì)精度為1/2 766 000，滿足規(guī)范中限差1/100 000要求[4]。比較大慶站和安民站兩點(diǎn)的平差值與真實(shí)值差值水平分量均小于8 mm，解算的5個(gè)點(diǎn)位的西安80坐標(biāo)精度可達(dá)D級(jí)精度要求。

而后，將CP0解算結(jié)果引入CPI網(wǎng)推導(dǎo)的基線中進(jìn)行約束平差計(jì)算。保留X2和GPS2坐標(biāo)用于檢核結(jié)果精度。平差后最弱邊NQ1—NQ2，相對(duì)精度為1/267 234，同樣滿足規(guī)范中限差1/100 000要求。比較X2和GPS2兩點(diǎn)的平差值與真實(shí)值差值水平分量均小于18 mm，解算的15個(gè)點(diǎn)位的西安80坐標(biāo)精度可達(dá)D級(jí)精度要求。

為了直觀展示兩次計(jì)算結(jié)果的差異，對(duì)11個(gè)原始點(diǎn)位的前后兩次計(jì)算坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

從表3可以看出，所有點(diǎn)位較差平面最大分量不超過(guò)20 mm，精度良好。較差值ΔX分布呈離散狀態(tài)，而ΔY反映出CPI分級(jí)解算值較比CPI初始值呈整體向西偏移狀態(tài)，分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象原因，是先后兩套起算點(diǎn)系統(tǒng)差導(dǎo)致，并不會(huì)影響整體控制精度[5]。

時(shí)隔四年之久的兩次平差成果的高度一致性使得基于CORS站的靜態(tài)解算方式可靠性得到有力驗(yàn)證。

4 項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

基于HLJCORS基準(zhǔn)站網(wǎng)兩級(jí)平差解算方案，高效完成了鐵路工程CPI控制網(wǎng)的GNSS靜態(tài)解算工作，項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

（1）基于CORS站解算布設(shè)鐵路工程CPI控制網(wǎng)方案切實(shí)可行。雖然采用分級(jí)平差解算過(guò)程比一步平差要煩瑣，消耗更多內(nèi)業(yè)時(shí)間，但是其優(yōu)勢(shì)在于可以省去起算地點(diǎn)找尋、復(fù)測(cè)工作，顯著減少外業(yè)設(shè)備、時(shí)間投入，又便于結(jié)合測(cè)區(qū)周邊CORS基準(zhǔn)站分布位置，優(yōu)化網(wǎng)形設(shè)計(jì)，有利于提高整體解算精度，真正實(shí)現(xiàn)降本增效的目的，為工期保障提供穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

（2）基于CORS站的GNSS解算方案，理論上可以實(shí)現(xiàn)單基站高精度解算，這一優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)測(cè)繪手段所不能比擬的。這種作業(yè)手段，徹底推翻傳統(tǒng)GNSS觀測(cè)方式中“同步觀測(cè)”的硬性要求，擺脫傳統(tǒng)GNSS測(cè)量方式外業(yè)中“快等慢，長(zhǎng)等短”的尷尬局面。得益于CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站點(diǎn)已知的豐富投影轉(zhuǎn)換參數(shù)，可以通過(guò)同一組觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同投影面下的高精度平面坐標(biāo)結(jié)果，對(duì)于處理一些采用北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系的遺留項(xiàng)目平面控制問(wèn)題提供了便捷方案。

（3）CORS站可以為區(qū)域測(cè)繪工作提供一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)繪基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)省內(nèi)乃至國(guó)內(nèi)項(xiàng)目控制系統(tǒng)高度統(tǒng)一。這意味著，當(dāng)不同工程項(xiàng)目需要協(xié)同作業(yè)或交叉作業(yè)時(shí)，基于一個(gè)相同的標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目之間的數(shù)據(jù)可以更好地進(jìn)行融合和集成，避免了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換造成的直接精度損失，極大減少內(nèi)、外業(yè)工作投入，為工程項(xiàng)目的順利實(shí)施提供有力保障。

（4）由于受到保密條款等多重實(shí)際因素的限制，該次研究未能執(zhí)行基于HLJCORS的CPI網(wǎng)一次性解算操作。兩套起算點(diǎn)也是同名點(diǎn)結(jié)果對(duì)比中的變量，雖然這種系統(tǒng)差不會(huì)對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)的精度和可靠性產(chǎn)生影響，但會(huì)對(duì)兩次結(jié)果的一致性造成一定破壞。因此，該次對(duì)比同名點(diǎn)較差值分量不大于20 mm，這一結(jié)果可能存在一定的偶然性[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，CORS系統(tǒng)有望逐步取代常規(guī)測(cè)量控制網(wǎng)地位，切實(shí)實(shí)現(xiàn)“少造標(biāo)”到“零造標(biāo)”的轉(zhuǎn)變。除此以外，CORS系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)與數(shù)字廣播技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通信鏈路的豐富與補(bǔ)充，會(huì)在智能交通、消防救援、搶險(xiǎn)救災(zāi)等多領(lǐng)域得到更多應(yīng)用，隨著更廣泛的行業(yè)和群體享受到CORS系統(tǒng)帶來(lái)的便利，數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁鼜?qiáng)烈的重視。

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