GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中的應(yīng)用分析

■李洋

（中鐵五局廣州工程分公司 廣東廣州511458）

GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中的應(yīng)用分析

■李洋

（中鐵五局廣州工程分公司 廣東廣州511458）

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，GPS技術(shù)越來越完善，也越來越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是交通運(yùn)輸領(lǐng)域更是廣泛受益于GPS技術(shù)。在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中，GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)發(fā)揮了越來越大的積極作用，對(duì)鐵路施工的平順性做出了很大的貢獻(xiàn)，不斷提高了鐵路工程的施工效率、很大程度上減少了測(cè)量過程中會(huì)造成誤差的人為因素。本文從GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)入手，簡(jiǎn)要描述GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中的應(yīng)用，全面解析GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中的具體工作方法，希望能為更多鐵路施工者提供借鑒。

GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)鐵路導(dǎo)線測(cè)量

二十一世紀(jì)以來，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段，各行各業(yè)都呈現(xiàn)雨后春筍之勢(shì)，鐵路建設(shè)也不例外。作為火車這一重要運(yùn)輸工具的載體，鐵路建設(shè)的質(zhì)量高低與火車運(yùn)輸?shù)暮脡?，因此鐵路建設(shè)必須要努力保證每一個(gè)步驟都是安全的、每一個(gè)測(cè)算都是準(zhǔn)確的，但是很多高要求、嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)僅僅依靠鐵路建設(shè)者本身是無法實(shí)現(xiàn)的，必須借助GPS技術(shù)才能達(dá)到最終目的。同時(shí)，在時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步之下，高速鐵路軌道越來越廣泛地出現(xiàn)在人們的視野之中。對(duì)于高速鐵路軌道而言，平順性是最基本的要求，沒有平順性高速鐵路軌道的其他性能更沒有實(shí)現(xiàn)的可能。為了保證高速鐵路軌道的平順性，就必須設(shè)置高精度的CPI，CPII和CPIII控制點(diǎn)，這個(gè)步驟就必須借助GPS靜態(tài)定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在逐漸意識(shí)到這一點(diǎn)之后，鐵路建設(shè)者們開始著手將GPS技術(shù)應(yīng)用到具體的鐵路建設(shè)實(shí)踐中，在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中應(yīng)用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)就是最具有代表性的做法。

1　 GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1省去測(cè)站之間的通視，提高選點(diǎn)靈活度

測(cè)量站之間必須相互通視一直是鐵路導(dǎo)線測(cè)量的難點(diǎn)。GPS技術(shù)則恰好解決了這一點(diǎn)，很大程度上提高了測(cè)量站選點(diǎn)的靈活度，大大降低了選點(diǎn)難度，使鐵路導(dǎo)線測(cè)量工作更加靈活、方便、高效、高精度。當(dāng)然，測(cè)量站上空必須是開闊的天空，以保證可以順利地發(fā)送和接收GPS信號(hào)[1]。

1.2定位精度高，提高鐵路導(dǎo)線測(cè)量精確度

雙頻GPS接收機(jī)的基線解精度是5mm+1ppm，而且隨著距離的增加，GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)越性就會(huì)愈加突出。大量的實(shí)踐表明，在50公里以內(nèi)的基線上，GPS技術(shù)的相對(duì)定位精度可以達(dá)到12×10-6；在定位基線為100至500公里時(shí)，GPS技術(shù)的相對(duì)定位精度可以達(dá)到10-6～10-7[2]。這樣高精度的定位準(zhǔn)確度，對(duì)于鐵路導(dǎo)線測(cè)量工作而言正是及時(shí)雨，大大提高了鐵路導(dǎo)線測(cè)量的精確度。

1.3觀測(cè)耗時(shí)短，大大提高鐵路導(dǎo)線測(cè)量作業(yè)效率

有具體數(shù)據(jù)表明，使用GPS技術(shù)進(jìn)行控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)，每個(gè)觀測(cè)站所需要的觀測(cè)時(shí)間一般在30min至40min之間，E級(jí)控制網(wǎng)的靜態(tài)觀測(cè)時(shí)間為40分鐘以上，而采用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)的觀測(cè)耗時(shí)會(huì)更短，E級(jí)控制網(wǎng)（城市一級(jí)導(dǎo)線）只需2分鐘以上，D級(jí)網(wǎng)（四等導(dǎo)線）只需5分鐘以上即可完成，在數(shù)據(jù)采集和施工放樣中則更快。例如，使用Timble4800GPS接收機(jī)的RTK進(jìn)行定位時(shí)，僅需要5s的時(shí)間就可以得到測(cè)點(diǎn)的具體坐標(biāo)。

1.4可提供三維坐標(biāo)，參考價(jià)值較高

GPS技術(shù)在對(duì)觀測(cè)站平面位置精確測(cè)量的同時(shí)。還可以非常精確的測(cè)得觀測(cè)站的大地高度，在通過覆蓋測(cè)區(qū)幾個(gè)經(jīng)聯(lián)測(cè)高程后的GPS控制點(diǎn)進(jìn)行水準(zhǔn)面擬合后，可方便的得到其他GPS控制點(diǎn)的高程最終形成三維坐標(biāo)提供給使用者，減少大范圍和山區(qū)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的作業(yè)強(qiáng)度和難度。

1.5自動(dòng)化程度極高，降低操作難度

目前GPS接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)愈發(fā)趨向于小型化和操作傻瓜化，使用者在使用時(shí)只需要將天線對(duì)中、整平，確定天線高度，隨后打開觀測(cè)電源，GPS接收機(jī)就可以自動(dòng)進(jìn)行工作，除將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到三維坐標(biāo)需要通過數(shù)據(jù)處理軟件，其他包括衛(wèi)星捕獲、跟蹤觀測(cè)等工作都是由接收機(jī)自身自動(dòng)完成的。這種接近全自動(dòng)的工作方式大大降低了使用者的操作難度，提高了測(cè)量工作效率。

1.6受外界干擾較小，可24小時(shí)全天候作業(yè)，

GPS技術(shù)可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連續(xù)不斷地進(jìn)行觀測(cè)，輕易不會(huì)受到諸如天氣等外界條件的干擾。

2　 GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中應(yīng)用概述

GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中主要是通過加密聯(lián)測(cè)國(guó)家三角點(diǎn)，來達(dá)到布設(shè)和加密鐵路線路控制網(wǎng)的目的。

從專業(yè)角度而言，在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中，相對(duì)較高級(jí)別的控制網(wǎng)需要通過首級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行控制。但是目前我國(guó)首級(jí)控制網(wǎng)的測(cè)量手段和方法在一般等級(jí)的鐵路測(cè)量中并沒有得到規(guī)范和明確。因此，鐵路導(dǎo)線測(cè)量工作需要借助GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行。根據(jù)鐵路導(dǎo)線測(cè)量的特點(diǎn)和技術(shù)要求，使用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可以有效提高作業(yè)的效率，大大降低測(cè)量中的人為誤差。

在具體的測(cè)量實(shí)踐中，每一個(gè)流動(dòng)觀測(cè)站上的GPS接收機(jī)不僅會(huì)進(jìn)行靜止觀測(cè)，還會(huì)在此同時(shí)接收基準(zhǔn)站和測(cè)量衛(wèi)星觀測(cè)到的同步數(shù)據(jù)，再隨時(shí)計(jì)算出用戶站點(diǎn)的準(zhǔn)確三維坐標(biāo)。GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鐵路導(dǎo)線測(cè)量的加密工作，迅速準(zhǔn)確地測(cè)量出使用者所需數(shù)據(jù)。例如，在漢宜鐵路的某段鐵路導(dǎo)線測(cè)量工作中，施工者通過使用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)順利、快速地完成了大約86km的控制點(diǎn)加密工作和控制網(wǎng)復(fù)測(cè)工作，使?jié)h宜鐵路的建設(shè)工作得以順利開展。

3　 GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中的具體工作方法

3.1多種布設(shè)方式

使用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行鐵路導(dǎo)線測(cè)量時(shí)，首先要進(jìn)行控制點(diǎn)或線路式導(dǎo)線控制網(wǎng)布設(shè)。一般情況下，布設(shè)方式常見的有邊點(diǎn)連式、單三角形網(wǎng)式、星狀網(wǎng)式三種[3]。（如圖1、圖2、圖3所示）

3.2根據(jù)布設(shè)方法靈活進(jìn)行觀測(cè)

圖1　邊點(diǎn)連式

圖2　單三角形網(wǎng)式

圖3　星狀網(wǎng)式

一般情況下，鐵路導(dǎo)線網(wǎng)會(huì)沿著鐵路線進(jìn)行線狀布設(shè)，在首級(jí)GPS控制網(wǎng)的基礎(chǔ)之上會(huì)進(jìn)行附合導(dǎo)線的布設(shè)。這個(gè)過程中會(huì)使用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的GPS接收機(jī)，布設(shè)方式仍舊是圖1、圖2、圖3的三種方式。GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)通常會(huì)使用兩次設(shè)站法進(jìn)行測(cè)量，只需要幾小時(shí)以內(nèi)在不同的觀測(cè)點(diǎn)上分別觀測(cè)幾分鐘，就可以成功確定準(zhǔn)確的結(jié)果，并不需要幾個(gè)小時(shí)都持續(xù)進(jìn)行觀測(cè)。在具體實(shí)踐中，為了能夠使控制網(wǎng)的可靠性更高，盡量保證GPS接收機(jī)可以形成三邊形或者四邊形的網(wǎng)絡(luò)。

3.3準(zhǔn)確進(jìn)行精度分析

通常情況下，GPS接收機(jī)的標(biāo)稱精度在±( 10 mm+2×10-6D)和±(5 mm+1×10-6D)這一范圍內(nèi)。

正常情況下，GPS測(cè)量相鄰點(diǎn)弦長(zhǎng)中誤差為

在這個(gè)公式中，a代表固定的誤差，b代表比例誤差的系數(shù)，D則是指空間距離的平均值。

例如，邊長(zhǎng)為6km時(shí)，兩種GPS接收機(jī)的誤差分別是：

再根據(jù)上述儀器標(biāo)稱精度和理論計(jì)算，GPS平面精度則可以評(píng)定為:

由此看來，使用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行鐵路導(dǎo)線測(cè)量產(chǎn)生的誤差在允許范圍內(nèi)，可以滿足首級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)、交點(diǎn)、中線控制樁的精度要求。

3.4實(shí)踐應(yīng)用

通過上文描述可知在理論上，將GPS快讀靜態(tài)定位技術(shù)應(yīng)用到鐵路導(dǎo)線測(cè)量中是完全可行的。事實(shí)上，這個(gè)方法不僅具有理論指導(dǎo)性和可行性，更具有真正的實(shí)踐價(jià)值。

在張?zhí)畦F路的建設(shè)過程中，就充分利用GPS快讀靜態(tài)定位進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量工作。張?zhí)畦F路的最大設(shè)計(jì)時(shí)速為160 km/h，根據(jù)《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》的要求，鐵路的平面控制測(cè)量必須滿足一級(jí)導(dǎo)線的要求[4]。

在建設(shè)過程中，工作人員按照?qǐng)D1所示的邊點(diǎn)連式布設(shè)方式利用GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)收集完成后，工作人員接連進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算、網(wǎng)平差處理等項(xiàng)工作，最終結(jié)果表明，數(shù)據(jù)解算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中有關(guān)五等GPS的要求，其中5472點(diǎn)位的導(dǎo)線點(diǎn)中誤差最大為僅為3.9 m，比之一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)位中的5cm誤差的限差要小得多。

再將GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)得出的測(cè)算結(jié)果與全站儀導(dǎo)線技術(shù)的結(jié)果進(jìn)行比較，則更能看出GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。（具體對(duì)比如表1）

表1

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS技術(shù)具備測(cè)量站之間不用通視、定位精度高、觀測(cè)耗時(shí)短、提供三維坐標(biāo)、操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，正是這些優(yōu)勢(shì)使得它可以在鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。因此，在具體的鐵路導(dǎo)線測(cè)量實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者和施工者可以選擇最適合的GPS作業(yè)方式，以達(dá)到更高的測(cè)量準(zhǔn)確度。

[1]劉弟林，張冠軍.GPS快速靜態(tài)定位技術(shù)在鐵路導(dǎo)線測(cè)量中的應(yīng)用 [J].鐵道勘察. 2012（05）.

[2]王毅飛.GPS在鐵路工程測(cè)量中的應(yīng)用 [J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品.2010（04）.

[3]譚慶.GPS在鐵路工程測(cè)量中的應(yīng)用探討 [J].黑龍江交通科技.2014（10）.

[4]劉開緒.全球定位系統(tǒng)GPS在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用 [J].鐵道建筑.2006（02）.

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-242-2