GPS在鐵路工程測量中的應(yīng)用

王毅飛

（中國葛洲壩集團第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，高速鐵路的建設(shè)更加發(fā)展迅猛，這就對鐵路工程測量提出了更高的要求。目前鐵路測量中雖已采用電子全站儀等先進儀器設(shè)備，但其方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強度大，且效率低。漢宜鐵路HYZQ-6標(biāo)（86km）其路段周圍地勢起伏較大，穿越大范圍的密林、河流且需跨越多處鐵路線、公路線，使通視較為困難，其測量任務(wù)艱巨且工程量浩大。如果采用常規(guī)方法，耗時費力而且需要大量的財力，難以滿足鐵路施工建設(shè)的需要。近年來，GPS技術(shù)發(fā)展迅速，其作業(yè)方法靈活，工作效率高，誤差累積少，定位精度較高，在工程測量等領(lǐng)域迅速得到推廣應(yīng)用。當(dāng)前，GPS技術(shù)在鐵路控制測量、中線測設(shè)、開口線放樣、征地線放樣以及斷面復(fù)測等方面，更能顯示它的優(yōu)越性。以下就GPS在漢宜鐵路HYZQ-6標(biāo)（86km）的測量中的一些應(yīng)用進行簡單的介紹。

1 測量原理

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，是由美國建立的一個衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶不但可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導(dǎo)航定位和測速；而且還可以進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。它由三大部分組成：空間部分——GPS衛(wèi)星、地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機；在GPS定位中，空間部分的GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文（導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息），用戶用GPS接收機在某一時刻同時接收3顆以上的GPS衛(wèi)星信號，測量出測站點（接收機天線中心）至3顆以上GPS衛(wèi)星的距離并解算出該時刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會法解算出測站的位置。

2 GPS測量技術(shù)的優(yōu)點

GPS技術(shù)在鐵路測量中的應(yīng)用，是鐵路測量的一項革命性的技術(shù)革新，它將對傳統(tǒng)的作業(yè)理念予以更新。相對于常規(guī)的測量方法來講，GPS測量有以下優(yōu)點：

2.1 測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學(xué)的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號不受干擾。GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成鐵路平面控制測量。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm+1ppm，而紅外儀標(biāo)稱精度為5mm+5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長，GPS測量優(yōu)越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500公里的基線上可達(dá)10-6～10-7。

2.3 觀測時間短。采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測時間更短。例如使用Timble4800GPS接收機的RTK法可在5s以內(nèi)求得測點坐標(biāo)。

2.4 提供三維坐標(biāo)。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理即求得測點三維坐標(biāo)。而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

2.6 全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續(xù)地進行，一般不受天氣狀況的影響。

3 GPS系統(tǒng)在實際測量工作中的應(yīng)用

3.1 使用動態(tài)定位模式測量。實時動態(tài)(RTK)定位技術(shù)是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS(RTDGPS)技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展的一個新突破，在鐵路工程中有廣闊的應(yīng)用前景。實時動態(tài)定位(RTK)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動站組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證。其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準(zhǔn)點，安置一臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù)，隨機計算根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標(biāo)和測量精度。這樣用戶就可以實時監(jiān)測待測點的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和基線解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測點的精度指標(biāo)，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。實時動態(tài)(RTK)定位有快速靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種測量模式，動態(tài)定位測量前需要在一控制點上靜止觀測數(shù)分鐘(有的儀器只需2～10s)進行初始化工作，之后流動站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級。

其野外作業(yè)流程：（1）設(shè)置參考站：在已知控制點上架設(shè)好GPS接收機和天線，打開接收機，將PC卡上室內(nèi)設(shè)置的參數(shù)（坐標(biāo)系統(tǒng)）讀入GPS接收機，建立（或選擇）配置集，輸入?yún)⒖颊军c的準(zhǔn)確的北京54坐標(biāo)和天線高，參考站GPS接收機通過轉(zhuǎn)換參數(shù)將北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)，同時連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號，并通過數(shù)據(jù)發(fā)射電臺將其測站坐標(biāo)、觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)發(fā)送出去，待電臺指示燈顯示發(fā)出通訊信號后流動站即可開展工作。（2）流動站工作：打開接收機，新建（或打開）工作項目，建立（或選擇）配置集（要求與參考站相匹配）。流動站接收機在跟蹤GPS衛(wèi)星信號的同時也接收來自參考站的數(shù)據(jù)，進行處理獲得流動站的三維WGS-84坐標(biāo)，最后再通過與參考站相同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)，并實時顯示在流動站的TR500終端上。接收機可將實時位置與設(shè)計值相比較，指導(dǎo)放樣到正確位置（測前在室內(nèi)采用配套軟件將電子表格中的設(shè)計坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行格式編輯處理形成GPS接收機可讀的文件后發(fā)送到機內(nèi)的PC卡）。動態(tài)定位模式在鐵路測量中有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量、征地線開口線放樣等工作。測量2～4S，精度就可以達(dá)到1～3cm，且整個測量過程不需通視，有著常規(guī)測量儀器(如全站儀)不可比擬的優(yōu)點。在漢宜鐵路HYZQ-6標(biāo)段，基本采用RTK動態(tài)定位模式復(fù)測了全標(biāo)段的中線和斷面，以及部分地形圖的測繪和征地線開口線的放樣工作，具有節(jié)省人力、作業(yè)效率高的特點，其每個采集點只需要停留2～4s，流動站小組作業(yè)，每小組(3～4人)每天可完成中線測量5km左右。若用其進行地形測量，每小組每天可以完成0.8～1.5km3的地形圖測繪，其精度和效率是常規(guī)測量所無法比擬的。

3.2 使用靜態(tài)或快速靜態(tài)測量方法進行國家三角點加密(即鐵路線路的控制網(wǎng)測量，或高精度線路導(dǎo)線測量)

在鐵路和公路測量中，首級控制網(wǎng)用來控制線路走向，為下一流程測量提供方便，是等級相對較高的控制網(wǎng)。對于一般等級鐵路，鐵路測量規(guī)范沒有規(guī)定要進行首級控制網(wǎng)測量。但是，現(xiàn)在國家三角點毀損嚴(yán)重，在使用全站儀進行導(dǎo)線測量時，往往30km之內(nèi)，找不到國家三角點來進行聯(lián)測。因此，首先要在較為稀少的國家三角點上，進行較高精度的補充加密測量，得到新的比國家三角點等級稍低的加密點，然后，鐵路導(dǎo)線點再聯(lián)測到加密的等級點?，F(xiàn)在，公路測量、高速鐵路測量中，規(guī)定了要進行首級控制網(wǎng)測量。

使用全站儀來進行加密測量，受客觀因素影響較大，在自然條件比較惡劣的地區(qū)實施比較困難，其工作量將會十分巨大，因此常常用GPS靜態(tài)或快速靜態(tài)定位模式來測量。要求GPS接收機在每一流動站上，靜止的進行觀測。在觀測過程中，同時接收基準(zhǔn)站和衛(wèi)星的同步觀測數(shù)據(jù)，實時解算整周未知數(shù)和用戶站的三維坐標(biāo)，如果解算結(jié)果的變化趨于穩(wěn)定，且其精度已滿足設(shè)計要求，便可以結(jié)束實時觀測。而采用RTK快速靜態(tài)測量，單點定位只需要5-10min(隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，定位時間還會縮短)，不及靜態(tài)測量所需時間的五分之一，在鐵路測量中可以代替全站儀完成導(dǎo)線測量等控制點加密工作。

在漢宜鐵路HYZQ-6標(biāo)段測量中，我們使用GPS的靜態(tài)和快速靜態(tài)測量技術(shù)，順利地完成了共約86km的CPI和CPII系控制網(wǎng)復(fù)測以及CPIII控制網(wǎng)的創(chuàng)建以及后來的一些控制點加密工作，各級GPS控制網(wǎng)測量的主要精度和技術(shù)指標(biāo)是完全符合規(guī)范要求的。

4 小結(jié)

通過鐵路工程測量的實踐，得出以下幾點認(rèn)識和體會：第一，GPS作業(yè)有著極高的精度。它的作業(yè)不受環(huán)境和距離限制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、局部重點工程地區(qū)等。第二，GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響。整個作業(yè)過程全由微電子技術(shù)、計算機技術(shù)控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動平差計算。第三，GPSRTK技術(shù)將徹底改變鐵路測量模式。RTK能實時地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)。這種技術(shù)非常適合路線、橋、隧勘察。它可以直接進行實地實時放樣、中樁測量、點位測量等。第四，GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率。一般GPS測量作業(yè)效率為常規(guī)測量方法的3倍以上。第五，在當(dāng)前鐵路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，由于這些地區(qū)地形條件的限制，實施常規(guī)的測量比較困難，GPS測量無疑是一種有效的手段。GPS在鐵路工程的測量上具有很大的發(fā)展前景。

[1]全球定位系統(tǒng)(GPS)鐵路測量規(guī)程.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-鐵道，鐵道部第一勘測設(shè)計院，1997-03-03.