GPS在高速鐵路加密控制測量中的應用

張國偉 楊學峰

(濟南市勘察測繪研究院,山東 濟南 250013)

GPS在高速鐵路加密控制測量中的應用

張國偉 楊學峰

(濟南市勘察測繪研究院,山東 濟南 250013)

以哈大鐵路客運專線雙城段項目為例，介紹了GPS系統(tǒng)在高速鐵路控制點加密測量中的應用，并對成果數(shù)據作了簡要分析，探討其可行性，可為類似工程提供參考。

GPS，高速鐵路，加密控制測量

0 引言

GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是20世紀后期由美國國防部建立的一套高精度衛(wèi)星導航和定位系統(tǒng)，它的出現(xiàn)是測量技術的一次革命，其操作起來不僅方便而且精度很高，目前該系統(tǒng)已廣泛用于大地測量、工程測量、航空攝影測量以及地形測量等各個方面，以下將以哈大鐵路客運專線雙城段項目為例，介紹GPS系統(tǒng)在高速鐵路控制點加密測量中的具體措施，并對成果數(shù)據進行分析。

1 工程概況

哈大鐵路客運專線雙城段的起訖里程為DK842+803.15～DK883+226.24，全長約40 km，跨越吉林和黑龍江兩省，沿線有拉林河(吉林和黑龍江兩省分界線)、多條高壓走廊以及公路，由于是夏天進場，沿線有大量的玉米地、稻田、果園以及農田防護林，地形、地貌極其復雜。由于原設計院布設的控制點(CPⅠ,CPⅡ)距離較遠，且由于上面提到的實際地形、地貌原因，相鄰點與點之間無法通視，不能滿足具體施工放樣工作的需要，所以需在既有CPⅠ，CPⅡ控制網的基礎上進行加密布設，如果采用傳統(tǒng)的全站儀測導線的方法對施工控制網進行加密，測量工作將變得異常艱難，所以根據現(xiàn)有條件考慮用GPS進行施工控制網加密測量。

本項目全線共布設了113個加密控制點，具體施測時聯(lián)測沿線的11個CPⅠ，26個CPⅡ已知控制點。

2 具體實施情況

2.1 儀器選用

本次加密測設采用了標稱精度為3 mm+1 ppm的3臺(項目部前期僅采購了3臺)大地測量型雙頻GPS接收機，均為拓撲康Hiper PLUS接收機，安置天線采用三角架和對中精度小于1 mm的光學對中器。作業(yè)前對GPS接收機和光學對中器進行了檢驗校正，全部儀器檢驗合格。

2.2 選點要求和網型設計

1)選點要求。a.點位應選在視野開闊、交通方便、有利擴展、易于保存的地方；b.點位應遠離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、微波站等)，其距離不得小于200 m，并應遠離高壓輸電線其距離不得小于50 m，以避免周圍磁場對衛(wèi)星信號的干擾；c.點位附近不應有對電磁波反射(或吸收)強烈的物體，以減少多路徑效應的影響；d.點周圍高度角15°以上不要有障礙物,以免信號被遮擋或吸收。

2)網型設計?？紤]到已有設備和施工控制網的精度要求以及線路特點，本項目擬采用邊連式的帶狀網型(如圖1所示，其為整個網的其中一部分)，其優(yōu)點為有較多的非同步圖形閉合條件，以及大量的重復基線邊，因此其幾何強度較高，具有良好的自檢能力，能夠有效發(fā)現(xiàn)測量中的粗差，具有較高的可靠性。施測時為了增加檢核能力，聯(lián)測的11個CPⅠ，26個CPⅡ已知控制點，根據路線長度均勻的抽出19個CPⅡ，3個CPⅠ點作為檢核測試點，解算時當作未知點處理，解算出的坐標成果與已知成果進行對比。

2.3 觀測技術要求

觀測前，進行星歷預報，精心進行時段設計，避開少于4顆衛(wèi)星的時間窗口，選擇最佳時段，按 GPS C級網的技術要求進行測設，測量的具體觀測技術要求為：采用GPS靜態(tài)相對定位模式進行測量，觀測時段長度為:≥60 min；衛(wèi)星高度角：≥15°；有效衛(wèi)星總數(shù)：≥4顆；時段中任一衛(wèi)星有效觀測時間：≥20 min；觀測時段數(shù)：1；數(shù)據采樣間隔：15 s；PDOP或GDOP：≤8。觀測前，統(tǒng)一在GPS接收機上配置參數(shù)，使參與作業(yè)的3臺GPS接收機配置的參數(shù)相同。作業(yè)時天線嚴格置平對中，對中誤差小于1 mm；每個時段觀測前、后各量天線高一次，兩次較差值小于2 mm，取均值作為最后結果。接收機開始記錄數(shù)據后，及時將測站名、天線高等信息記錄在GPS觀測記錄表格里。在測量過程中，作業(yè)員使用接收機的信號指示燈查看接收機衛(wèi)星數(shù)、電池余量等，作必要記錄，并注意及時處理各種特殊情況。

3 數(shù)據處理

3.1 基線數(shù)據處理

基線處理采用廣播星歷，計算機軟件為TOPCON公司的商用軟件Pinnacle?；€解算時進行控制點兼容性、控制網網形測試、重復基線、同步環(huán)和異步環(huán)閉合差檢驗，檢驗標準如下：

同步環(huán)閉合差滿足：

由若干條獨立邊組成的閉合環(huán)，其閉合差均滿足：

重復觀測的基線長度較差均滿足：

其中，σ為相應等級規(guī)定的精度，按環(huán)平均邊長或基線邊長由下式計算：

其中，a為GPS接收機標稱精度中的固定誤差；b為GPS接收機標稱精度中的比例誤差系數(shù)；d為GPS網中相鄰點間的距離；n為閉合環(huán)邊數(shù)。

其具體的測量的精度指標滿足表1的要求。

表1 GPS測量的精度指標

基線處理成果均滿足上述質量檢驗標準，符合《客運專線無碴軌道鐵路工程測量技術暫行規(guī)定》，可以參與后續(xù)網平差計算。

3.2 網平差

先進行無約束自由網平差，然后利用已知的7個CPⅡ點、8個CPⅠ點進行固定點約束平差(均勻的分布在整個控制網中)。網平差軟件采用TOPCON公司的商用軟件Pinnacle，對網平差進行了如下檢查：

1)平差后基線殘差圖：殘差分布合理，不存在異常觀測值。

2)點位中誤差和誤差橢圓：誤差橢圓大小均勻，點位中誤差均滿足表2的規(guī)范要求。

表2 控制點的定位精度要求 mm

3)所有方位角中誤差和邊長相對精度滿足表3的規(guī)范要求。

表3 平面控制網加密測設精度要求

考慮到本測段跨越兩個不同的投影帶，所以加密平面控制網約束平差應分段進行，即采用鐵道第一勘察設計院的分帶投影差數(shù)分兩段進行。

對各段網平差報告統(tǒng)計后得到最弱點為CPⅡ384-4，X中誤差為3.2 mm,Y中誤差為2.8 mm,點位中誤差為4.3 mm。最弱邊如表4所示。

表4 最弱邊數(shù)據表

對于抽出的19個CPⅡ，3個CPⅠ檢核點，與已知成果相比較ΔX最大值為6 mm、最小值為0 mm，ΔY最大值為5 mm、最小值為1 mm。

通過以上可以看出加密平面控制網平差結果均滿足相應等級控制網精度要求，符合《客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定》的規(guī)定，因此此次加密平面控制網成果是真實可靠的。

4 結語

在高速鐵路建設中，像上述工程所遇到的情況肯定是很普遍的，傳統(tǒng)的測量方法很難得以實施，但是采用先進的GPS測量技術，問題便迎刃而解。

[1] 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GPS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，2006.

[2] 中華人民共和國鐵道部.客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規(guī)定[Z].2006.

[3] 趙吉先.精密工程測量[M].北京：科學出版社,2010.

[4] 林亞斌，王春范，劉繼巍.關于增強GPS精密定位的研究與探討[J].山西建筑，2012，38(14)：235-236.

[5] 張正祿.工程測量學[M].武漢:武漢大學出版社,2002.

[6] 郭際明,孔祥元.控制測量學[M].武漢：武漢大學出版社,2008.

The application of GPS in the control survey in high-speed railway

ZHANG Guo-wei YANG Xue-feng

(JinanAcademyofSurvey&Mapping,Jinan250013,China)

Taking the project in Shuangcheng section of Harbin-Dalian railway as an example, introduces the application of GPS in the control survey in high-speed railway, and a brief analysis of the data, discuss its feasibility, so as to provide the reference for similar projects.

GPS, high-speed railway, control survey

1009-6825(2014)07-0217-02

2013-12-21

張國偉(1984- ),男,助理工程師,國家注冊測繪師; 楊學峰(1977- )，男，工程師,國家注冊測繪師

TU198

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