基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)研究

周少喻，許建國(guó)

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基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)研究

周少喻，許建國(guó)

目前我國(guó)鐵路精準(zhǔn)放樣主要采用GPS系統(tǒng)，而北斗系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用較少。本文首先闡述北斗高精度定位技術(shù)的數(shù)據(jù)流程及原理，研究基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)提出接觸網(wǎng)桿位放樣可視化操作，最后對(duì)北斗高精度定位技術(shù)和鐵路專(zhuān)用電子地圖生成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述。

北斗高精度定位技術(shù)；接觸網(wǎng)桿位放樣；可視化；數(shù)據(jù)庫(kù)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]全球組網(wǎng)加速，北斗高精度定位技術(shù)的精度已經(jīng)達(dá)到事后毫米級(jí)、實(shí)時(shí)厘米級(jí)。隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路建設(shè)施工對(duì)高精度定位的需求越來(lái)越多，尤其是對(duì)接觸網(wǎng)桿位高精度測(cè)量需求迫切。通過(guò)研究基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量技術(shù)，可快速、方便、準(zhǔn)確地獲取接觸網(wǎng)桿位高精度位置數(shù)據(jù)，形成高精度數(shù)據(jù)庫(kù)，并為鐵路的“一路一庫(kù)”預(yù)留接口。

基于北斗高精度定位[2]的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)，在鐵路專(zhuān)用電子地圖上標(biāo)定顯示，可為鐵路施工人員提供接觸網(wǎng)桿位放樣可視化界面交互，提高鐵路施工項(xiàng)目的精準(zhǔn)度和管理水平。

1 北斗高精度定位技術(shù)的數(shù)據(jù)流程

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)并獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由地面控制站、空間站和用戶(hù)終端組成，計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)全球布網(wǎng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用碼分多址技術(shù)處理不同的衛(wèi)星信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)為整個(gè)亞太區(qū)域提供全天候、全天時(shí)的定位、導(dǎo)航、授時(shí)等服務(wù)功能。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他系統(tǒng)，如美國(guó)GPS或者GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)有一定區(qū)別，能夠提供獨(dú)特的短消息通信服務(wù)，可應(yīng)用于海洋、鐵路、智慧城市等領(lǐng)域。

基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)依靠北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，利用北斗高精度定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，其北斗基準(zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)或者3/4G等公網(wǎng)將衛(wèi)星偽距、載波相位觀(guān)測(cè)量[3]、基準(zhǔn)站的坐標(biāo)以及天線(xiàn)高度等信息傳輸給流動(dòng)站，流動(dòng)站完成初始化后，接收北斗衛(wèi)星觀(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，并與接收到的基準(zhǔn)站的信息進(jìn)行差分實(shí)時(shí)處理，計(jì)算得到厘米級(jí)定位結(jié)果，其數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖1。

2 基于北斗定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)

基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)利用北斗高精度定位手持測(cè)量?jī)x在野外鐵路沿線(xiàn)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)，快速定位放樣點(diǎn)，將數(shù)據(jù)利用電臺(tái)或3/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛婵刂浦行姆?wù)器進(jìn)行處理，保證放樣作業(yè)快速、準(zhǔn)確、高效率。同時(shí)由計(jì)算機(jī)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，生成并更新鐵路專(zhuān)用電子地圖，有利于后續(xù)的成果應(yīng)用和信息管理。

圖1 北斗高精度定位技術(shù)的數(shù)據(jù)流程

2.1 工程管理

基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)工程管理需要輸入工程名、作者以及日期，使用和選擇與工程一致的坐標(biāo)參數(shù)（坐標(biāo)系、投影、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、平面校正、高度擬合等），如使用新坐標(biāo)系，需要重新選擇坐標(biāo)系，并輸入中央子午線(xiàn)參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能

基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)[4]在測(cè)量過(guò)程中，鐵路專(zhuān)用電子地圖上的點(diǎn)、線(xiàn)、面以不同顏色或樣式顯示，在地圖上選擇待放樣的點(diǎn)或線(xiàn)，并設(shè)置為終點(diǎn)，根據(jù)導(dǎo)航方向即可找到接觸網(wǎng)桿位放樣點(diǎn)（圖2）。系統(tǒng)主要功能如下：

圖2 接觸網(wǎng)桿位放樣選線(xiàn)

（1）點(diǎn)校正。根據(jù)WGS-84和當(dāng)?shù)仄矫嬷苯亲鴺?biāo)系，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)，利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行點(diǎn)校正，系統(tǒng)校正成功會(huì)提示“平面校正成功、高程擬合成功”信息，將當(dāng)前計(jì)算的校正參數(shù)應(yīng)用到坐標(biāo)系參數(shù)中，對(duì)整個(gè)工程任務(wù)生效，用戶(hù)登錄可查看平面校正和高程擬合參數(shù)，否則參數(shù)不顯示（圖3）。

圖3 系統(tǒng)點(diǎn)校正

（2）接觸網(wǎng)桿位放樣。系統(tǒng)根據(jù)提示找到待放樣點(diǎn)，當(dāng)施工人員接近目標(biāo)時(shí)，設(shè)備發(fā)出提示音，距目標(biāo)越近提示音越急促，在目標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)擊左下角綠色圖標(biāo)，靜止5 s，放樣成功，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示下一個(gè)待放樣點(diǎn)的位置并引導(dǎo)前往（圖4）。

圖4 放樣導(dǎo)航

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 北斗高精度定位技術(shù)原理

采用載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)的北斗高精度測(cè)量可實(shí)現(xiàn)在指定坐標(biāo)下實(shí)時(shí)提供三維坐標(biāo)定位結(jié)果，定位精度達(dá)到厘米級(jí)，北斗高精度定位系統(tǒng)在基準(zhǔn)站觀(guān)察第顆北斗衛(wèi)星并取得偽距，偽距計(jì)算式為

北斗高精度用戶(hù)機(jī)可計(jì)算衛(wèi)星的偽距為

式中，u為移動(dòng)北斗高精度接收機(jī)的噪聲。

若基準(zhǔn)站和高精度接收機(jī)可同時(shí)觀(guān)察的衛(wèi)星數(shù)目在4顆以上，則有4個(gè)以上方程，可解4個(gè)參數(shù)，即北斗高精度用戶(hù)機(jī)坐標(biāo)（u，u，u），其中D包含了一系列誤差參數(shù)：

D=(u-j) +(u-j) + (u-j)

北斗衛(wèi)星載波相位觀(guān)測(cè)量的值為

北斗基準(zhǔn)站利用公網(wǎng)或電臺(tái)等傳輸鏈路將載波相位數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖倍犯呔扔脩?hù)機(jī)進(jìn)行差分：

通過(guò)以上計(jì)算式可計(jì)算觀(guān)測(cè)衛(wèi)星的整周模糊度和載波相位的小數(shù)部分，在一個(gè)歷元周期內(nèi)觀(guān)察4顆以上衛(wèi)星，即可計(jì)算出北斗高精度用戶(hù)機(jī)的精確坐標(biāo)位置，精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

3.2 鐵路線(xiàn)路專(zhuān)用地圖生成技術(shù)

基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)中上位機(jī)軟件的鐵路專(zhuān)用電子地圖可以導(dǎo)入預(yù)先設(shè)定的線(xiàn)路數(shù)據(jù)坐標(biāo)文件或站區(qū)線(xiàn)路電子圖文件，生成線(xiàn)路（軌道）數(shù)字地圖，通過(guò)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)采集、管理、分析、輸出各種地理信息的功能，并支持空間數(shù)據(jù)管理。鐵路線(xiàn)路還存在道岔，路線(xiàn)多為空間曲線(xiàn)，GIS系統(tǒng)將地圖的表格型數(shù)據(jù)（來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)、電子表格或在程序中直接輸入）與北斗高精度定位數(shù)據(jù)直接擬合轉(zhuǎn)換為地理圖形進(jìn)行顯示，然后對(duì)顯示結(jié)果進(jìn)行瀏覽。

3.2.1 軌道地圖數(shù)據(jù)處理流程圖

軌道數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖5。

圖5 軌道地圖數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理及地圖生成算法流程如下：

（1）通過(guò)北斗高精度測(cè)試儀采集鐵路線(xiàn)路的數(shù)據(jù)集，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)（x,y）∈。

（2）數(shù)據(jù)的剔選。剔除采集的鐵路線(xiàn)路數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

（3）軌道線(xiàn)路形態(tài)判別：利用剔選后數(shù)據(jù)集的相鄰點(diǎn)連線(xiàn)斜率變化判定直線(xiàn)線(xiàn)路、曲線(xiàn)線(xiàn)路的組成，得到軌道線(xiàn)路組成結(jié)構(gòu)。

（4）擬合。對(duì)剔選后的數(shù)據(jù)在精度約束條件下進(jìn)行約簡(jiǎn)，得到鐵路線(xiàn)路擬合數(shù)據(jù)集。

3.2.2 混合曲線(xiàn)軌道地圖擬合算法

考慮鐵路軌道線(xiàn)路組成的結(jié)構(gòu)，利用插值節(jié)點(diǎn)對(duì)軌道線(xiàn)路進(jìn)行分段擬合，分為段，若曲線(xiàn)部分s段，直線(xiàn)部分I段，則=s+I。若曲線(xiàn)部分坐標(biāo)為（S，j()），直線(xiàn)部分坐標(biāo)為（I，q()），在曲、直線(xiàn)相連的值節(jié)點(diǎn)處（I，q()）與（S，j()）為同一點(diǎn)。

（1）曲線(xiàn)線(xiàn)路部分?jǐn)M合。3次樣條函數(shù)分段擬合，邊界條件應(yīng)符合形態(tài)約束的軌道曲線(xiàn)，如果兩邊的插值節(jié)點(diǎn)都為曲線(xiàn)，則曲線(xiàn)擬合的第一類(lèi)邊界條件為相鄰線(xiàn)的斜率。曲線(xiàn)表達(dá)式為

j() =j3+j2+jx +j，（=1,2,3，…，s） （1）

（2）直線(xiàn)線(xiàn)路部分?jǐn)M合。利用直線(xiàn)兩端端點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算函數(shù)的表達(dá)式并進(jìn)行擬合，直線(xiàn)表達(dá)式為

q() =qI+q，（=1,2,3，…，I） （2）

（3）校驗(yàn)。在精度約束t下，對(duì)擬合后的分段曲線(xiàn)利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校驗(yàn)，若存在不滿(mǎn)足軌道曲線(xiàn)精度約束，可適當(dāng)增加插值數(shù)據(jù)，再重新擬合多次，直至可以保證線(xiàn)路地圖的精度。

（4）整理。通過(guò)疊加分段擬合曲線(xiàn)，得到混合曲線(xiàn)分段擬合的完整軌道地圖，表達(dá)式為

式（3）為曲線(xiàn)部分?jǐn)M合表達(dá)式，式（4）為直線(xiàn)部分?jǐn)M合表達(dá)式。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于北斗高精度定位技術(shù)研究的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)以往單一GPS系統(tǒng)的不足，以鐵路線(xiàn)路、接觸網(wǎng)桿位大數(shù)據(jù)和交互標(biāo)定顯示為基礎(chǔ)，結(jié)合地圖生成技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件[5]等技術(shù)，最終構(gòu)建面向鐵路建設(shè)施工需求的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)極大提高了測(cè)量工作效率，降低了施工成本，減小了測(cè)量人員戶(hù)外作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，此外對(duì)于轉(zhuǎn)變鐵路施工從粗放式管理到精細(xì)化管理具有重要意義。因此，基于北斗高精度定位的接觸網(wǎng)桿位測(cè)量系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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At present, the accurate lofting of domestic railway construction engineering is mainly depending on GPS system, with less application of Beidou navigation system. The paper illustrates firstly the data flows and principles of high precise positioning technology of Beidou navigation system, introduces the researches on OCS mast position measurement system based on Beidou high precise positioning technology for OCS mast measurement system, and describes in details the key technologies of high precise positioning technology and generation of railway dedicated electronic map.

Beidou high precise positioning technology; catenary mast lofting; visualization; database

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.001

U225.1

A

1007-936X(2017)05-0001-04

周少喻.中國(guó)鐵路總公司，高級(jí)工程師；許建國(guó).中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師。

2017-04-27