GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工測量中的應(yīng)用

摘要：全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）技術(shù)在貴南高速鐵路建設(shè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其精準(zhǔn)定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄與分析及提高工作效率等優(yōu)勢使其成為不可缺少的工具?？⒐D是高速鐵路建設(shè)的重要資料。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，越來越多的高速鐵路項(xiàng)目正在建設(shè)中，竣工圖作為對(duì)高速鐵路進(jìn)行驗(yàn)收、運(yùn)營、維護(hù)和改造的可靠依據(jù)，對(duì)整個(gè)工程來說起著至關(guān)重要的作用。通過對(duì)貴南高速鐵路（貴州段）竣工圖的測量，重點(diǎn)探討GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工測量中GPS的控制網(wǎng)布設(shè)、觀測及后期數(shù)據(jù)處理和平差計(jì)算。

關(guān)鍵詞：GPS技術(shù) ； 技術(shù)原理；貴南高速鐵路竣工測量； 精度要求

Application of GPS Technology in the As-Built Survey of Guinan High-Speed Railway

ZHANG Hongbo

Guizhou First Surveying and Mapping Institute， Guiyang， Guizhou Province， 550025 China

Abstract： Global Position System （GPS） technology plays a key role in the construction of Guiyang-Nanning high-speed railway. Its advantages of precise positioning， real-time monitoring， data recording and analysis， and improved work efficiency make it an indispensable tool. As-built drawing is an important data of high-speed railway construction. With the development of modern economy and society， more and more high-speed railway projects are under construction. As-built drawing， as a reliable basis for acceptance， operation， maintenance and transformation of high-speed railway， plays a vital role in the whole project. Based on the survey of the as-built drawing of Guiyang-Nanning high-speed railway （Guizhou section）， this paper focuses on the GPS control network layout， observation， post data processing and adjustment calculation in the as-built survey of Guiyang-Nanning high-speed railway.

Key Words： GPS technology; Technical principles; As-built survey of Guiyang-Nanning high-speed railway ; Precision requirement

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，全球定位系統(tǒng)（（Global Position System，GPS））技術(shù)在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別是在高速鐵路建設(shè)中，GPS技術(shù)的精準(zhǔn)定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理能力為工程測量提供了強(qiáng)大支持。貴南高速鐵路作為貴州省的一項(xiàng)重要交通基礎(chǔ)設(shè)施工程，其竣工測量對(duì)于鐵路的驗(yàn)收、運(yùn)營和維護(hù)具有至關(guān)重要的意義。本文將探討GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工測量中的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注GPS控制網(wǎng)的布設(shè)、觀測、數(shù)據(jù)處理和平差計(jì)算等關(guān)鍵步驟。通過對(duì)GPS技術(shù)在高速鐵路竣工測量中的應(yīng)用進(jìn)行深入分析，可以更好地理解其在工程測量中的作用和優(yōu)勢，為類似工程的實(shí)施提供有益借鑒。

1 GPS技術(shù)分析

1.1 GPS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢和功能

GPS技術(shù)提供了高精度的位置信息。通過在地面控制站和鐵路工地等關(guān)鍵位置安裝GPS接收設(shè)備，工程團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)獲取鐵路線路的精確位置和軌道布局，這對(duì)于確保鐵路的設(shè)計(jì)與實(shí)際施工精準(zhǔn)匹配至關(guān)重要。通過GPS技術(shù)，還可以進(jìn)行鐵路線路的地形測量和地貌分析，幫助工程團(tuán)隊(duì)更好地理解施工環(huán)境，合理規(guī)劃鐵路線路的走向和高低起伏。GPS技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測地質(zhì)變化和地形起伏，通過安裝GPS設(shè)備進(jìn)行連續(xù)觀測，工程團(tuán)隊(duì)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、土壤松軟區(qū)域及其他潛在的施工障礙，這有助于提前采取相應(yīng)的防范和調(diào)整措施，確保鐵路施工的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 GPS技術(shù)的作用

通過將GPS設(shè)備與施工機(jī)械和車輛連接，工程團(tuán)隊(duì)可以實(shí)現(xiàn)施工過程中的時(shí)間同步，提高了施工的協(xié)調(diào)性和效率。GPS技術(shù)還可以用于監(jiān)控施工車輛的運(yùn)行路線和速度，避免碰撞和交通堵塞等問題，確保施工安全。鐵路竣工后，GPS技術(shù)仍然可以發(fā)揮重要作用。通過持續(xù)監(jiān)測鐵路線路的變形和沉降情況，工程團(tuán)隊(duì)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理鐵路運(yùn)行中的安全隱患，確保鐵路的安全運(yùn)營和持續(xù)穩(wěn)定。GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工測量中的應(yīng)用不僅提高了施工的精度和效率，還確保了鐵路的安全運(yùn)營，為鐵路工程的順利完成和長期運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)支持。

1.3 GPS系統(tǒng)的組成及定位原理

GPS系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的全球定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，其精確定位能力和廣泛應(yīng)用使其成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。衛(wèi)星系統(tǒng)是GPS的核心，其由24顆運(yùn)行在不同軌道上的衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星覆蓋了全球范圍，并以高度精確的軌道運(yùn)行，確保了在任何時(shí)間和地點(diǎn)都能夠接收到至少4顆衛(wèi)星的信號(hào)?？刂贫斡傻孛婵刂普窘M成，這些站點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)、校正衛(wèi)星鐘差、更新軌道信息等，以保證衛(wèi)星系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。用戶段則包括了各種各樣的GPS接收器，從智能手機(jī)、汽車導(dǎo)航到航空器和船只，這些接收器能夠接收衛(wèi)星信號(hào)并計(jì)算出接收器的位置、速度和時(shí)間信息。GPS的定位原理是基于三角測量法，通過測量不同衛(wèi)星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差，以及衛(wèi)星與接收器之間的距離，利用數(shù)學(xué)模型來計(jì)算出接收器的精確位置。這項(xiàng)技術(shù)不僅為民用提供了便利，如車輛導(dǎo)航、戶外探險(xiǎn)等，同時(shí)也在軍事、科學(xué)研究、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。綜上所述，GPS系統(tǒng)憑借其精確的定位能力和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域成為了現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。

2 GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工測量中的應(yīng)用

以貴南高速鐵路（貴州段）1∶2000竣工圖測量為例，探討GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工測量中的應(yīng)用和GPS技術(shù)在竣工測量中發(fā)揮的重要作用。高速鐵路以載客量高、耗時(shí)少、安全性好、正點(diǎn)率高、舒適方便、能耗較低、經(jīng)濟(jì)效益好、節(jié)約能源和減少環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)使人們出行更加便捷，速度快，安全性高，可帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，拉動(dòng)與之相關(guān)的產(chǎn)業(yè)快速向前推動(dòng)，極大增強(qiáng)軍事國防力量、增強(qiáng)中國在國際社會(huì)上的地位和信心。

2.1貴南高速鐵路沿線工程概況

貴南高速鐵路位于廣西西北部和貴州東南部，是連接中西部兩個(gè)重要省區(qū)省會(huì)城市的重要交通紐帶，是國家《中長期發(fā)展規(guī)劃》“八縱八橫”高鐵網(wǎng)包（銀）海通道的重要組成部分。其北起貴陽，向南經(jīng)龍里、貴定、都勻、獨(dú)山、荔波和廣西壯族自治區(qū)的環(huán)江、金城江、都安、馬山、武鳴等地，止于南寧市，正線全長482.332 km，共設(shè)14座車站，設(shè)計(jì)速度350 km/h，是銜接“一帶一路”陸路南北新通道的重要組成部分，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。為滿足貴南高速鐵路竣工驗(yàn)收和運(yùn)營管理需要，本次測量范圍為貴南高速鐵路（貴州段）自貴陽市經(jīng)黔南州（不含引入貴陽樞紐部分）涉及龍里縣、貴定縣、都勻市、獨(dú)山縣、荔波縣5個(gè)縣（市），鐵路施工里程DK000+000-DK196+450，約200 km，總面積約410.7831 hm2，測量內(nèi)容為鐵路用地范圍紅線外30 m的控制測量、地形測量、竣工測量。

2.2 GPS技術(shù)在鐵路竣工測量中的精度要求

高速鐵路為城市之間的快速交通來往和旅客出行提供了極大便利，同時(shí)也對(duì)鐵路設(shè)計(jì)選線提出了更高的要求。在時(shí)速高達(dá)200～350km/h的客運(yùn)專線鐵路中，為滿足高速行駛下旅客列車的安全性和舒適性，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，保持精準(zhǔn)的幾何線性參數(shù)，精度要保持在毫米級(jí)的范圍以內(nèi)。利用GPS技術(shù)，能夠進(jìn)行毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位、厘米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)相對(duì)定位、厘米級(jí)精度的速度測量及毫微米級(jí)精度的時(shí)間測量，所以，利用GPS技術(shù)，完全能滿足高速鐵路測量的精度要求。

按照鐵路技術(shù)管理相關(guān)規(guī)程，新建和改擴(kuò)建工程竣工后，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)收。為了滿足高速鐵路竣工驗(yàn)收的要求，高速鐵路竣工驗(yàn)收前應(yīng)進(jìn)行竣工測量?？⒐y量的目的：一是對(duì)高速鐵路的線下工程空間位置、幾何形態(tài)和軌道平順性進(jìn)行客觀的評(píng)定，為工程驗(yàn)收提供必要的基礎(chǔ)資料；二是為高速鐵路交付運(yùn)營，竣工測量的成果將作為運(yùn)營維護(hù)管理基礎(chǔ)資料?？⒐y量是真實(shí)反映施工后建（構(gòu)）筑物實(shí)際位置的最終表現(xiàn)，也是后續(xù)階段設(shè)計(jì)和管理的重要依據(jù)，關(guān)系著鐵路建成投產(chǎn)后進(jìn)行生產(chǎn)管理和變形觀測的需要，同時(shí)也可以進(jìn)一步檢測鐵路施工是否達(dá)到高速鐵路所需的精度及平順性的要求[3-7]。

2.3貴南高速鐵路竣工測量已有資料分析

2.3.1施工設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)單位是中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000國家坐標(biāo)系。

2.3.2勘測定界圖

施測單位是貴州省基礎(chǔ)地理信息中心，坐標(biāo)系統(tǒng)為1980西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)，等高距為2 m。

2.3.3基礎(chǔ)控制資料

項(xiàng)目區(qū)5個(gè)縣（市）境內(nèi)有16個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn)和8個(gè)GZCORS站點(diǎn)：H089、H095、H318、H343、H346、H347、H348、H529、H531、H532、H533、H587、H588、H592、H590、H595和GYGY（貴陽站）、GZSD（三都站）、QNLB（荔波站）、QNDS（獨(dú)山站）、QNDY（都勻站）、QNPT（平塘站）、QNGD（貴定站）、QNYW（云霧站），保存完好，坐標(biāo)系為CGCS2000國家坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985國家高程基準(zhǔn)，可作為控制網(wǎng)的起算點(diǎn)。

2.4 貴南高速鐵路竣工測量E級(jí)GPS控制測量

2.4.1主要技術(shù)路線

根據(jù)甲方劃定的作業(yè)范圍，對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，布設(shè)控制網(wǎng)。利用鐵路沿線周邊的16個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn)和8個(gè)GZCORS站點(diǎn)，對(duì)測區(qū)控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，約5 km布設(shè)一對(duì)點(diǎn)。利用專用軟件，對(duì)控制觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。然后，根據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范及本設(shè)計(jì)書的要求和規(guī)定，輸出項(xiàng)目E級(jí)GPS控制網(wǎng)平差計(jì)算報(bào)告和點(diǎn)之記。

2.4.2 E級(jí)GPS控制網(wǎng)布設(shè)

在鐵路沿線擬布設(shè)一個(gè)由90個(gè)E級(jí)點(diǎn)（每5 km左右布設(shè)一對(duì)）組成的GPS控制網(wǎng)，控制網(wǎng)要覆蓋測區(qū)約200 km范圍，滿足地形測量、竣工圖測量要求。

2.4.3 E級(jí)GPS控制點(diǎn)選點(diǎn)、埋石和編號(hào)

（1）選點(diǎn)。在區(qū)間線路上，每隔5 km左右布設(shè)一對(duì)GPS點(diǎn)，GPS點(diǎn)應(yīng)盡量布設(shè)在便于埋設(shè)、觀測和保存的位置。每對(duì)GPS點(diǎn)必須通視，以便于下一級(jí)控制點(diǎn)的發(fā)展。根據(jù)站場的的大小，每個(gè)站場內(nèi)外各布設(shè)2～3個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)，要求兩兩通視，以便于下一級(jí)控制點(diǎn)的發(fā)展及后期站場補(bǔ)測。

（2）埋石。本測區(qū)E級(jí)GPS點(diǎn)埋設(shè)盡量選擇在堅(jiān)固便于保存的地方，埋設(shè)項(xiàng)目專用GPS控制點(diǎn)標(biāo)志，四周切割或刻制20 cm×20 cm邊框，也可采用混凝土澆灌標(biāo)心澆注項(xiàng)目專用GPS控制點(diǎn)標(biāo)志。如遇特殊情況，可在巖石或水泥地面上刻制控制點(diǎn)，邊框尺寸為20 cm×20 cm，在框中心刻制十字絲。

（3）編號(hào)。E級(jí)GPS點(diǎn)編號(hào)采用“E”加流水號(hào)（二位數(shù)字），如：“E01”。

2.4.4 E級(jí)GPS控制點(diǎn)觀測要求

控制網(wǎng)采用南方GPS進(jìn)行測量，采取邊點(diǎn)混連方式布網(wǎng)。為保證GPS控制網(wǎng)精度要求，觀測采用靜態(tài)定位模式，其觀測技術(shù)要求如表1 所示。

GPS外業(yè)觀測時(shí)段長度應(yīng)根據(jù)同步觀測點(diǎn)間距離、觀測條件等情況適當(dāng)延長，每次設(shè)站的天線高度應(yīng)量記兩次，每一時(shí)段取用N-1（N為同步觀測設(shè)站數(shù)）條獨(dú)立基線參與平差計(jì)算。

2.4.5 E級(jí)GPS控制點(diǎn)數(shù)據(jù)處理及平差計(jì)算

測區(qū)東西跨度長約200 km，按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)其布設(shè)及施測了90個(gè)GPS點(diǎn)、聯(lián)測16個(gè)國家C級(jí)GPS點(diǎn)和8個(gè)GZCORS站點(diǎn)，共114個(gè)點(diǎn)，布設(shè)成一個(gè)E級(jí)GPS控制網(wǎng)，統(tǒng)一進(jìn)行平差計(jì)算。

平面采用國家高等級(jí)點(diǎn)GPS點(diǎn)GZSD（三都站）、QNLB（荔波站）、QNDS（獨(dú)山站）、QNDY（都勻站）、QNPT（平塘站）、QNGD（貴定站）、QNYW（云霧站）7個(gè)點(diǎn)起算并作約束平差，高程采用GZSD（三都站）、QNLB（荔波站）、QNDS（獨(dú)山站）、QNDY（都勻站）、QNPT（平塘站）、QNGD（貴定站）、QNYW（云霧站）7個(gè)點(diǎn)大地高起算并作約束平差，利用國家C級(jí)控制點(diǎn)H595、H590、H588、H587、H533、H532、H531、H348、H346、H343、H095、H089作為檢校點(diǎn)，然后用貴州擬大地水準(zhǔn)面模型雙線性內(nèi)插計(jì)算獲得各點(diǎn)正常高。

2.4.6 E級(jí)GPS基線向量的計(jì)算和檢核

（1）基線解算、平面及高程平差采用天寶Trimble.Business.Center.v5.20靜態(tài)處理軟件進(jìn)行后處理，采用固定雙差解的基線成果，個(gè)別長邊也可采用經(jīng)同步環(huán)閉合差檢核的浮動(dòng)雙差解成果。

（2）E級(jí)GPS控制網(wǎng)的基線精度按公式?= 算。式中，?為基線長度中誤差（mm），a為固定誤差（mm），b為比例誤差系數(shù)（mm/km），d為平均邊長（km）。

（3）外業(yè)作業(yè)中，應(yīng)及時(shí)對(duì)觀測值進(jìn)行處理，對(duì)同步環(huán)、重復(fù)基線和異步環(huán)進(jìn)行檢核。異步環(huán)邊數(shù)不多于6條，其閉合差限差按表2執(zhí)行。

復(fù)測基線的長度較差Δd≤2√2σ倍。表中，n為閉合環(huán)邊數(shù)，σ為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度（按閉合環(huán)平均邊長計(jì)算）。

（4）當(dāng)同步觀測時(shí)間少于40％時(shí)，可以視為非同步觀測。

（5）當(dāng)用N臺(tái)接收機(jī)同步觀測時(shí)，獨(dú)立基線向量取N-1條。

（6）無約束平差中，基線向量的改正數(shù)絕對(duì)值應(yīng)滿足下式：

VΔx≤3σ，VΔy≤3σ，VΔz≤3σ

式中，σ為相應(yīng)級(jí)別規(guī)定的精度。否則，認(rèn)為該基線或附近存在粗差基線，應(yīng)采用軟件提供的方法或人工方法剔除粗差基線，直至符合上式要求。

2.4.7 E級(jí)GPS控制網(wǎng)平差計(jì)算

（1）平差計(jì)算可采用GPS供應(yīng)商研制的GPS控制網(wǎng)平差軟件。首先，應(yīng)進(jìn)行無約束平差，以分析GPS觀測值中是否存在粗差，確定無粗差后，再進(jìn)行約束平差。

（2）0GPS控制網(wǎng)平差精度應(yīng)滿足下列要求。

①控制網(wǎng)測量中誤差按下公式計(jì)算：

式中，m為控制網(wǎng)的測量中誤差（mm），N為控制網(wǎng)中異步環(huán)的個(gè)數(shù)，n為異步環(huán)的邊數(shù)，W為異步環(huán)環(huán)線全長閉合差（mm）。

②控制網(wǎng)測量中誤差應(yīng)滿足基線精度要求，并符合公式m≤σ的規(guī)定。

③控制網(wǎng)約束平差后，最弱邊相對(duì)中誤差要≤1/40000，約束點(diǎn)間的邊長相對(duì)中誤差要≤1/100000。

3 結(jié)語

本文闡述了 GPS技術(shù)系統(tǒng)的組成及定位原理，同時(shí)介紹了GPS技術(shù)在貴南高速鐵路竣工圖的施測，重點(diǎn)介紹了GPS控制網(wǎng)的布設(shè)、選點(diǎn)、埋石、編號(hào)、觀測、數(shù)據(jù)處理和平差計(jì)算的過程及對(duì)測量的精度要求。通過以上介紹，可以得到GPS技術(shù)應(yīng)用在貴南高速鐵路竣工測量中的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）精度高。由于GPS技術(shù)的先進(jìn)性，使得測量的精度大大提高。

（2）效率高。GPS技術(shù)以其靈活的作業(yè)方式，在與全站儀相配合下，使得作業(yè)效率大大提高。

由于GPS衛(wèi)星信號(hào)的局限性，在施測時(shí)也需注意幾點(diǎn)。

（1）GPS控制布網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選在衛(wèi)星信號(hào)好的地方，以保證控制點(diǎn)的精度，同時(shí)也要保證能與另一點(diǎn)通視。

（2）GPS圖根控制測量時(shí)，應(yīng)盡量多測幾組數(shù)據(jù)，再取其平均值作為圖根控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）GPS碎部點(diǎn)測量時(shí)，應(yīng)待其固定后方可采集。

GPS技術(shù)以其高精度、高工作效率的特點(diǎn)必將在測繪領(lǐng)域的各個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用。

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