北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在高速鐵路精密控制測(cè)量中應(yīng)用研究及精度分析

梁　永

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Application and Accuracy Analysis of the Beidou Navigation Satellite System in High-speed Railway Precise Control Survey

LIANG Yong

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在高速鐵路精密控制測(cè)量中應(yīng)用研究及精度分析

梁永

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Application and Accuracy Analysis of the Beidou Navigation Satellite System in High-speed Railway Precise Control Survey

LIANG Yong

摘要以京沈客運(yùn)專線CPI級(jí)精密控制測(cè)量為例，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路精密控制測(cè)量進(jìn)行試驗(yàn)。在CPI控制網(wǎng)重復(fù)基線、異步環(huán)閉合差、坐標(biāo)重復(fù)性、相鄰點(diǎn)坐標(biāo)差之差、相對(duì)精度等方面，北斗系統(tǒng)與GPS對(duì)比分析結(jié)果表明：北斗靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量的平面精度可以滿足CPI的精度要求，與GPS定位精度相當(dāng)，說明北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于高鐵精密控制測(cè)量可行。

關(guān)鍵詞北斗導(dǎo)航系統(tǒng)高速鐵路控制測(cè)量精度分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigaition Satellite System，簡(jiǎn)稱BDS)是我國(guó)繼美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO之后正在實(shí)施的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。截止2012年底，BDS在軌工作衛(wèi)星有14顆，包括5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆MEO衛(wèi)星，構(gòu)成5GEO+5IGSO+4MEO的星座結(jié)構(gòu)。每顆北斗衛(wèi)星都發(fā)射3個(gè)頻率的載波信號(hào)用于導(dǎo)航，每個(gè)載波信號(hào)均有正交調(diào)制的普通測(cè)距碼，以不同地址碼CDMA區(qū)分衛(wèi)星，定位原理基本同GPS。BDS致力于滿足國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航的需求，促進(jìn)國(guó)家信息化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

目前我國(guó)在鐵路勘測(cè)領(lǐng)域主要利用GPS定位技術(shù)進(jìn)行線路控制測(cè)量、中線放樣測(cè)量及其他測(cè)量工作。GPS受美國(guó)政策的影響，在一定程度上存在安全風(fēng)險(xiǎn)，如果在非常時(shí)期美國(guó)限制某些地區(qū)衛(wèi)星導(dǎo)航定位使用，會(huì)導(dǎo)致終端GPS用戶無(wú)法正常使用該系統(tǒng)，從而會(huì)給鐵路勘測(cè)工作帶來不便。而BDS的自主性保證了在我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施工程中的國(guó)家和社會(huì)安全，可擺脫長(zhǎng)期以來只應(yīng)用GPS定位測(cè)量的局面。目前，完全應(yīng)用BDS進(jìn)行高鐵精密控制測(cè)量項(xiàng)目還沒有開展。因此，重點(diǎn)對(duì)BDS進(jìn)行鐵路精密控制測(cè)量進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)定位精度進(jìn)行分析，研究其在高鐵精密控制測(cè)量的可行性。

1精密控制測(cè)量試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用國(guó)產(chǎn)南方S86接收機(jī)，首先通過與美國(guó)天寶R8接收機(jī)相位測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析，來檢驗(yàn)?zāi)戏絊86接收機(jī)的性能和可靠性；結(jié)合在建京沈客專精密控制測(cè)量項(xiàng)目，采用BDS進(jìn)行高鐵CPI級(jí)(二等)控制網(wǎng)測(cè)量試驗(yàn)，并與GPS定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1　試驗(yàn)選取的點(diǎn)位基本要求

①對(duì)空通視條件良好，使用GNSS接收機(jī)觀測(cè)的點(diǎn)位便于安置儀器，周圍視野開闊，對(duì)天通視情況良好，高度角15°以上無(wú)障礙物阻擋衛(wèi)星信號(hào)；

②遠(yuǎn)離高于安置天線高度的樹木、建筑物等阻擋衛(wèi)星信號(hào)的障礙物；

③避免電磁場(chǎng)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾，點(diǎn)位遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓輸電線；

④在點(diǎn)位附近無(wú)大面積水域，以避免多路徑效應(yīng)的影響。

GNSS測(cè)量基本技術(shù)要求見表1。

1.2　數(shù)據(jù)分析

通過南方S86與天寶R8接收機(jī)基線解算數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證南方S86接收機(jī)的性能。

潘國(guó)文曾說“中國(guó)人善形象思維，西方人善邏輯思維”，其中，形象思維就是我們常說的具體思維，而邏輯思維即抽象思維。由此看來，漢民族更注重具體思維，而西方民族更傾向于抽象思維。

驗(yàn)證BDS、BDS+GPS組合定位是否滿足高鐵平面控制測(cè)量精度要求。

CPI坐標(biāo)成果重復(fù)性檢驗(yàn)滿足：Δx，Δy≤20mm；

相鄰點(diǎn)坐標(biāo)差之差相對(duì)精度滿足1/130 000；

2南方S86接收機(jī)測(cè)量可靠性檢驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，采用4臺(tái)帶有BDS的南方S86接收機(jī)和4臺(tái)天寶R8接收機(jī)，同步觀測(cè)CPI點(diǎn)，對(duì)南方S86接收機(jī)的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)為了減小對(duì)中誤差對(duì)定位成果的影響，采取如下措施：選擇穩(wěn)定性好的三腳架，不同的天線類型測(cè)量時(shí)均采用相同的基座，在更換天線時(shí)保持三腳架和基座不動(dòng)，具體外業(yè)測(cè)量按高鐵CPI測(cè)量技術(shù)要求實(shí)施。

(1)對(duì)南方S86接收機(jī)分別采用GPS、BDS進(jìn)行基線解算，然后進(jìn)行重復(fù)基線比較，如表2、表3。

從表2、表3中看出，采用南方S86接收機(jī)的GPS和BDS載波相位觀測(cè)值分別解算基線，重復(fù)基線向量分量和基線長(zhǎng)度較差均滿足高鐵規(guī)范二等精度要求。

為檢驗(yàn)S86接收機(jī)測(cè)量性能和可靠性，將南方S86和天寶R8兩種接收機(jī)均采用GPS信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算，然后進(jìn)行重復(fù)基線比較，見表4。

從表4中看出，天寶R8接收機(jī)與南方S86接收機(jī)載波相位觀測(cè)值基線解算，其重復(fù)基線較差均滿足高鐵二等(CPI)精度要求。兩種天線的重復(fù)基線向量分量和基線長(zhǎng)度較差較小，滿足精度要求，說明南方S86與天寶R8接收機(jī)其GPS載波相位測(cè)量精度相當(dāng)，南方S86接收機(jī)性能和測(cè)量精度可以保證。

3CPI級(jí)控制網(wǎng)精密控制測(cè)量試驗(yàn)

為了進(jìn)一步測(cè)試北斗系統(tǒng)是否可以進(jìn)行高鐵精密控制測(cè)量可行性，在京沈客專CPI(二等)測(cè)量項(xiàng)目中，采用4臺(tái)南方S86接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)，同時(shí)接收BDS和GPS雙星數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)設(shè)30 km的8個(gè)CPI點(diǎn)(相鄰點(diǎn)間距約4 km左右)，控制點(diǎn)網(wǎng)形圖見圖1。

3.1　CPI控制網(wǎng)重復(fù)基線比較

通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，分別采用BDS和GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行CPI基線解算，對(duì)重復(fù)基線進(jìn)行比較分析，見表5～表7。

從表5看出，不同時(shí)段的BDS基線向量分量較差和重復(fù)基線較差均滿足高鐵二等精度要求。

從表6看出，分別采用BDS和GPS載波相位進(jìn)行基線解算，其重復(fù)基線向量分量和長(zhǎng)度較差滿足高鐵二等測(cè)量精度要求。

BDS和GPS系統(tǒng)組合定位基線解算，其重復(fù)基線坐標(biāo)分量、長(zhǎng)度較差均很小，滿足規(guī)范高鐵平面控制測(cè)量二等精度要求。同時(shí)從上述比較分析中得出，BDS+GPS系統(tǒng)組合定位精度與單GPS系統(tǒng)定位精度相當(dāng)，比單BDS定位精度穩(wěn)定。

3.2　BDS基線異步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)

BDS基線解算完成后，選取獨(dú)立基線組成異步環(huán)，對(duì)異步環(huán)閉合差統(tǒng)計(jì)，見表8。

從表8看出，BDS基線解組成的異步環(huán)閉合差全部滿足高鐵二等精度要求。

3.3　CPI平面坐標(biāo)重復(fù)性檢驗(yàn)

基線質(zhì)量檢核完成后，進(jìn)行無(wú)約束平差和約束平差，向量改正數(shù)、同名基線向量改正數(shù)較差、方向中誤差都滿足規(guī)范要求后，對(duì)BDS坐標(biāo)與GPS坐標(biāo)進(jìn)行比較，并對(duì)相鄰點(diǎn)坐標(biāo)差之差相對(duì)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表9、表10。

對(duì)BDS定位坐標(biāo)進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)，不論是BDS系統(tǒng)間坐標(biāo)比較，還是BDS與GPS坐標(biāo)比較，均滿足高鐵CPI坐標(biāo)差±20 mm的精度要求，相鄰點(diǎn)坐標(biāo)差之差相對(duì)精度均優(yōu)于1/130 000精度要求。

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中圖分類號(hào)：P228； P207

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)05-0001-03

作者簡(jiǎn)介：梁永(1979—)，男，碩士，高級(jí)工程師。

收稿日期：2015-07-23