北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高速鐵路CPⅠ復(fù)測中的應(yīng)用

金　鴻

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710043)

0　引言

高速鐵路勘測控制測量主要包括CPⅠ和CPⅡ,其中CPⅠ基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)主要為勘測設(shè)計、施工、運營維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)，按B級GPS網(wǎng)精度要求測量，全線(段)一次布網(wǎng)，統(tǒng)一測量，整體平差。CPⅡ網(wǎng)測量應(yīng)在CPⅠ網(wǎng)的基礎(chǔ)上采用四等導(dǎo)線或C級GPS測量方法施測。CPⅡ控制點的點間距以800 m～1 000 m為宜，離線路中線一般在50 m～100 m，便于施工放線且不易破壞的范圍內(nèi)[1]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具有短報文通信能力[2]。

截至2017年年底，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、4顆中遠(yuǎn)地球軌道(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星組成。該系統(tǒng)于2012年覆蓋亞太地區(qū)，預(yù)計2020年左右覆蓋全球，系統(tǒng)將向全球提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和授時以及短報文通信服務(wù)。

1　方案制定

選取新建西安至法門寺鐵路精密控制測量點共計18個CPⅠ，2017年9月該段的控制成果作為本次比較的依據(jù)，本項目采用經(jīng)過檢定合格的GS15接收機(jī)按照規(guī)范要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該種類型接收機(jī)屬于大地測量型接收機(jī)，能夠同時接收GPS和北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，按照規(guī)范要求分別對這些點位進(jìn)行外業(yè)觀測，共采用6臺接收機(jī)進(jìn)行邊連式觀測，點位分布如圖1所示。

基線解算和平差采用商用LGO 8.4軟件和武漢大學(xué)研制的COSA軟件，具體方案如下：

1)單GPS衛(wèi)星模式數(shù)據(jù)處理，比較該結(jié)果與設(shè)計值的各項指標(biāo)；

2)單北斗衛(wèi)星模式數(shù)據(jù)處理，比較該結(jié)果與設(shè)計值的各項指標(biāo)；

3)GPS+北斗衛(wèi)星模式數(shù)據(jù)處理，比較該結(jié)果與設(shè)計值的各項指標(biāo)。

2　CPⅠ復(fù)測精度指標(biāo)

2.1　復(fù)測原則

1)復(fù)測采用與原測相同的方法和精度要求，并應(yīng)滿足現(xiàn)行《高速鐵路工程測量規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定；

2)復(fù)測前檢查所有標(biāo)石的完好性，對丟失和破損的標(biāo)石按要求進(jìn)行點位布設(shè)、選點、埋石；

3)精測網(wǎng)的復(fù)測采用分級測量的原則，即按照分級布網(wǎng)的原則按控制網(wǎng)等級由高到低的順序進(jìn)行逐級復(fù)測，CPⅠ控制網(wǎng)采用CP0成果或穩(wěn)定的CPⅠ作為起算基準(zhǔn)；

4)復(fù)測成果的平面、高程基準(zhǔn)與原設(shè)計的平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)相同。

2.2　穩(wěn)定性判定的指標(biāo)

1)采用GPS方式進(jìn)行CPⅠ復(fù)測，復(fù)測成果與原測成果較差需滿足表1的規(guī)定。

表1　CPⅠ，CPⅡ控制點復(fù)測限差要求

(1)

其中，ΔXij=(Xj-Xi)復(fù)-(Xj-Xi)原;

ΔYij=(Yj-Yi)復(fù)-(Yj-Yi)原;

ΔZij=(Zj-Zi)復(fù)-(Zj-Zi)原。

其中，S為相鄰點間的二維平面距離或三維空間距離；ΔXij，ΔYij均為相鄰點i與j間二維坐標(biāo)差之差，m；ΔZij為相鄰點i與j間Z方向坐標(biāo)差之差，當(dāng)只統(tǒng)計二維坐標(biāo)差之差的相對精度時該值為0。

2)復(fù)測成果與原測設(shè)計成果較差滿足表1要求時，采用原測成果；當(dāng)較差超限時，查明原因，確認(rèn)點位發(fā)生變動后，采用同精度內(nèi)插擴(kuò)展方法更新成果。

3　基線解算

使用LGO 8.4分別對三種方案的模式進(jìn)行解算，在軟件中選擇相應(yīng)模式，即GPS、北斗、GPS和北斗，處理完成后導(dǎo)出基線數(shù)據(jù)，檢查基線計算的準(zhǔn)確性(見圖2)。

3.1　重復(fù)基線較差

導(dǎo)入到COSA軟件中，分別統(tǒng)計三種衛(wèi)星類型解算的基線較差，如表2所示，三種類型衛(wèi)星模式下基線較差都滿足規(guī)范要求。

表2　重復(fù)基線較差統(tǒng)計

衛(wèi)星類型基線較差最大值起點終點較差值/mm限差/mm是否合格備注僅GPSXFCPⅠ018XFCPⅠ02112.8126.37是僅北斗XFCPⅠ019XFCPⅠ0229.0618.19是GPS+北斗XFCPⅠ019XFCPⅠ02215.5118.19是

3.2　異步環(huán)閉合差

統(tǒng)計三種衛(wèi)星類型解算的異步環(huán)閉合差，如表3所示，三種類型衛(wèi)星模式下異步環(huán)閉合差都滿足規(guī)范要求。

表3　異步環(huán)閉合差統(tǒng)計

4　平差

4.1　三維無約束平差

在基線解算各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求后，對全網(wǎng)進(jìn)行三維無約束平差，三維無約束平差結(jié)果統(tǒng)計見表4，由表4可知三種衛(wèi)星模式下三維無約束平差指標(biāo)滿足限差要求。

表4　三維無約束平差統(tǒng)計

4.2　二維約束平差

在進(jìn)行二維約束平差前，首先按照一定間距選擇全網(wǎng)3個CPⅠ點進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在滿足規(guī)范要求后，再進(jìn)行二維約束平差，二維約束平差結(jié)果統(tǒng)計見表5。

表5　二維約束平差統(tǒng)計

由表5可知，在進(jìn)行二維約束平差后，三種模型的各項指標(biāo)都滿足規(guī)范要求，且精度相當(dāng)。

5　三種模型對比分析

采用單GPS模式對控制點的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，統(tǒng)計結(jié)果見表6。

由表6可知，CPⅠ各點坐標(biāo)較差滿足規(guī)范要求，坐標(biāo)差之差的相對精度有兩條邊超限，需要二次觀測確認(rèn)。

表6　僅GPS模式與設(shè)計值比較表

采用單北斗模式和單北斗+GPS方式對控制點的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，統(tǒng)計結(jié)果見表7。

表7　單北斗模式和單北斗+GPS方式與設(shè)計值比較統(tǒng)計

由表7可知，僅北斗和北斗+GPS模式下和僅GPS模式一致性較好，所得結(jié)論一致。

6　結(jié)語

1)僅北斗模式下的數(shù)據(jù)采集可以滿足高速鐵路CPⅠ精密控制測量的規(guī)范中要求的重復(fù)基線較差、同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差等各項限差，可以用于高速鐵路CPⅠ控制測量；

2)北斗和GPS衛(wèi)星兼容性較好，在山區(qū)對空觀測條件不好、鎖定GPS衛(wèi)星個數(shù)不夠時，可以采取兩種聯(lián)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，達(dá)到相關(guān)精度要求。