GPS在鐵路工程測量中的應用

王曉磊

（新疆鐵道勘察設計院，新疆 烏魯木齊 830011）

GPS在鐵路工程測量中的應用

王曉磊

（新疆鐵道勘察設計院，新疆 烏魯木齊 830011）

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System-GPS）是美國研制并在1994年投入使用的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。GPS技術在鐵路測量中的應用，是鐵路測量的一項革命性的技術革新。本文概述了GPS系統(tǒng)在鐵路工程測量中的應用，并對其作業(yè)流程和性能、效率進行了分析。

GPS定位系統(tǒng)；鐵路工程；測量；應用

前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，高速鐵路的建設更加發(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。以某鐵路HYZQ-6標（86km）路段為例，其周圍地勢起伏較大，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的需要。近年來，GPS技術發(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，在工程測量等領域迅速得到推廣應用。當前，GPS技術在鐵路控制測量、中線測設、開口線放樣、征地線放樣以及斷面復測等方面，更能顯示它的優(yōu)越性。以下就GPS在鐵路HYZQ-6標（86km）的測量中的一些應用進行簡單的介紹。

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)射測距信號和導航電文（導航電文中含有衛(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，據(jù)此利用距離交會法解算出測站的位置。

2 GPS測量技術的優(yōu)點

GPS技術在鐵路測量中的應用，是鐵路測量的一項革命性的技術革新，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)定位技術和動態(tài)定位技術相結合的方法可以高效、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，而紅外儀標稱精度為5mm 5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，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12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。

2.3 觀測時間短。采用GPS布設控制網(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。

2.4 提供三維坐標。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。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用

3.1 使用動態(tài)定位模式測量。實時動態(tài)（RTK）定位技術是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS（RTDGPS）技術，它是GPS測量技術發(fā)展的一個新突破，在鐵路工程中有廣闊的應用前景。實時動態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)由基準站和流動站組成，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，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數(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)量和基線解算結果的收斂情況，根據(jù)待測點的精度指標，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定的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準站的同步觀測數(shù)據(jù)，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達到厘米級。

其野外作業(yè)流程：

（1）設置參考站：在已知控制點上架設好GPS接收機和天線，打開接收機，將PC卡上室內(nèi)設置的參數(shù)（坐標系統(tǒng)）讀入GPS接收機，建立（或選擇）配置集，輸入?yún)⒖颊军c的準確的北京54坐標和天線高，參考站GPS接收機通過轉換參數(shù)將北京54坐標轉換為WGS-84坐標，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、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，最后再通過與參考站相同的坐標轉換參數(shù)將WGS-84坐標轉換為北京54坐標，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計值相比較，指導放樣到正確位置（測前在室內(nèi)采用配套軟件將電子表格中的設計坐標數(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。在鐵路HYZQ-6標段，基本采用RTK動態(tài)定位模式復測了全標段的中線和斷面，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。

[1]路伯祥.GPS在鐵路測量中應用的討論.鐵道工程學報，1995-09-30期刊.

[2]丁海鵬，楊云鴻，李如仁.GPS測量在鐵路施工控制網(wǎng)中的應用.中國煤炭地質(zhì)，2010-02-25期刊.

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