GPS-RTK在鐵路復(fù)測中的應(yīng)用研究

王 萬 祥

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 721000)

在中國鐵路的高速發(fā)展中，許多新建鐵路都會遇到既有鐵路接軌、改擴(kuò)建既有鐵路等問題，不可避免的要進(jìn)行既有鐵路線路的復(fù)測。在復(fù)測中，常規(guī)的復(fù)測方法往往是通過鋼鏈丈量確定既有線里程，然后采用方尺配合全站儀觀測外移樁和進(jìn)行曲線查定來確定既有線平面線型，最后通過水準(zhǔn)儀觀測軌面高程來確定既有線軌面高程。此方法需要人員眾多，作業(yè)效率低，因此迫切需要一種高效的復(fù)測方法來替代傳統(tǒng)方法。

1 GPS-RTK

RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的一種實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)。在RTK作業(yè)模式下，基準(zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起發(fā)送給流動站。流動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，再采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理并給出厘米級定位結(jié)果。

在GPS-RTK觀測中，由于控制點(diǎn)的精度、分布情況、觀測時星歷狀況、衛(wèi)星遮擋及其他因素會導(dǎo)致觀測結(jié)果精度欠佳，甚至發(fā)生錯誤。因此在GPS-RTK觀測時要注意以下幾個方面：

1)GPS-RTK基站架設(shè)的位置盡量高，保證周圍無遮擋，無強(qiáng)電磁干擾；

2)基站盡量在已知點(diǎn)上架設(shè)并精確對中整平，求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時，采用至少4個控制點(diǎn)，控制點(diǎn)精度必須要高，此外點(diǎn)位要均勻分布且覆蓋整個測區(qū)；

3)求取轉(zhuǎn)換參數(shù)時采用控制點(diǎn)的殘差要嚴(yán)格按照TB 10054—2010鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范規(guī)定平面殘差控制在15 mm，高程殘差控制在20 mm的要求執(zhí)行，此外觀測中應(yīng)按照規(guī)范要求每天進(jìn)行必要的檢核；

4)流動站距離基站應(yīng)控制在5 km以內(nèi)；

5)流動站觀測時必須采用高質(zhì)量固定解，觀測時最少觀測5個歷元。

2 既有線復(fù)測

傳統(tǒng)既有線復(fù)測流程如下：

1)采用鋼鏈加方尺丈量既有鐵路里程并在既有線路上標(biāo)注；

2)根據(jù)既有線上標(biāo)注的里程按照規(guī)范要求布設(shè)外移樁，并按照一定等級要求進(jìn)行外移樁導(dǎo)線觀測。導(dǎo)線應(yīng)以線路GPS控制網(wǎng)點(diǎn)為起算點(diǎn)，保證觀測點(diǎn)與基礎(chǔ)平面控制點(diǎn)同坐標(biāo)系；

3)使用全站儀對既有線路的曲線段落根據(jù)臺賬對半徑、緩和曲線長等測量確認(rèn)并進(jìn)行股道撥道量的計(jì)算；

4)使用水準(zhǔn)儀按照等級水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行基中平觀測，基平觀測可以和中平觀測同步進(jìn)行，也可以分開進(jìn)行，最終獲得既有線路軌面高程；

5)車站內(nèi)需要進(jìn)行站場測繪，對車站內(nèi)相關(guān)股道、影響既有線的重要建筑物及設(shè)施等進(jìn)行觀測。

至此可獲得既有線路正線及車站的平面和高程信息，為后期改擴(kuò)建及新線接入提供了完備的基礎(chǔ)資料。

按照此方法，要完成完整工序粗略估算需要20人次，而且里程丈量工序必須在前，否則其余工序無法開展工作。

隨著GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展和精度的日益提高，為節(jié)省人員成本并加快復(fù)測進(jìn)度，考慮采用GPS-RTK進(jìn)行既有線復(fù)測工作。

采用GPS-RTK進(jìn)行既有線復(fù)測工作的方法如下：

1)在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)的選擇和轉(zhuǎn)換參數(shù)的求?。?/p>

2)在已知控制點(diǎn)上架設(shè)基站并觀測另外一個已知點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)換參數(shù)的正確性；

3)將GPS流動站天線頭放置于經(jīng)過加工的方尺上，天線頭的中心位置精確位于股道中心位置；

4)流動站獲得初始化后，在手簿里面輸入方尺側(cè)面正中心對應(yīng)的里程，觀測保存，并在股道外側(cè)標(biāo)注里程；

5)移動方尺并放樣上一個里程根據(jù)放樣距離來確定下一個位置的里程，例如直線段50 m觀測一個點(diǎn)，曲線上20 m觀測一個點(diǎn)；

6)重復(fù)步驟4)和步驟5)至測量終點(diǎn)。

GPS-RTK進(jìn)行既有線復(fù)測，不僅在現(xiàn)場標(biāo)注里程，同時觀測了軌中坐標(biāo)，而且還可以獲得軌面高程。完成該工序觀測只需要4人次，效率大大提高。

3 工程實(shí)例

為檢驗(yàn)該方法的精度能否滿足既有線復(fù)測要求，我們對某段既有線同時采用兩種方法進(jìn)行觀測，并對比兩者的優(yōu)劣。我們首先檢查GPS-RTK觀測時轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性，然后檢查測點(diǎn)高程質(zhì)量，最后對兩種不同方法觀測的軌中坐標(biāo)和軌面高程進(jìn)行對比。

3.1 GPS-RTK轉(zhuǎn)換關(guān)系檢查

表1 GPS-RTK測量檢核表

從表1中可以看出，轉(zhuǎn)換關(guān)系中平面殘差最大0 mm，高程殘差最大1 mm。滿足TB 10054—2010鐵路工程衛(wèi)星定位測量規(guī)范規(guī)定的平面殘差控制在15 mm，高程殘差控制在30 mm的要求。對已知點(diǎn)的檢核平面較差最大10 mm,高程較差最大24 mm滿足規(guī)范要求。由此可以判定本次RTK轉(zhuǎn)換關(guān)系正確，可以進(jìn)行后續(xù)觀測。

3.2 GPS-RTK高程精度檢查

表2 流動站高程檢核

從表2中可以看出流動站大地高和正常高較差為常數(shù)，無突變異常值，因此可以判斷本次RTK觀測高程成果正確。

3.3 GPS-RTK復(fù)測軌中坐標(biāo)成果和傳統(tǒng)復(fù)測軌中坐標(biāo)成果精度檢查

表3 GPS-RTK復(fù)測和傳統(tǒng)復(fù)測坐標(biāo)成果對比表

表4 GPS-RTK復(fù)測和傳統(tǒng)復(fù)測高程成果精度檢查

從表3中可以看出，兩種方法觀測的坐標(biāo)較差最大0.032 2 m，差值正負(fù)號不同，這個與GPS-RTK觀測值精度不穩(wěn)定有很大關(guān)系，但是較差滿足復(fù)測要求，成果可以采用。

3.4 GPS-RTK復(fù)測軌面高程成果和傳統(tǒng)復(fù)測高程成果精度檢查

從表4中可以看出，兩種方法觀測的高程較差最大0.047 7 m，且較差忽高忽低，這個與GPS-RTK觀測值精度不穩(wěn)定有很大關(guān)系。雖然部分較差能滿足復(fù)測要求，但存在個別較差過大無法滿足復(fù)測精度要求，因此需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

通過對比，我們可以得出以下結(jié)論：

1)GPS-RTK平面觀測成果和傳統(tǒng)平面觀測成果較差較小，滿足既有線復(fù)測技術(shù)要求，在今后工作中可以推廣使用；

2)GPS-RTK在觀測中要加強(qiáng)測前質(zhì)量檢核，觀測中必須要確保流動站無遮擋、無強(qiáng)電磁干擾并獲得高精度固定解，否則觀測精度不穩(wěn)定，容易發(fā)生錯誤；

3)GPS-RTK觀測高程精度有限，在實(shí)際使用中要慎重。

對于后期的工作有以下考慮：

1)對于隧道段落等GPS-RTK無法發(fā)揮作用，考慮全站儀和GPS-RTK配合作業(yè)，重點(diǎn)研究全站儀如何采用GPS-RTK類似的作業(yè)方法快速進(jìn)行既有線復(fù)測；

2)繼續(xù)研究如何能夠使GPS-RTK觀測高程精度滿足既有線復(fù)測要求；

3)繼續(xù)研究改進(jìn)方尺等裝置確保曲線等有超高段落高程觀測成果精度；

4)由于目前測繪技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)重點(diǎn)研究三維激光掃描儀及航測法在既有線復(fù)測中的應(yīng)用。

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