千尋位置在鐵路勘測(cè)中的應(yīng)用研究

楊李龍 徐永明

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

在鐵路勘察設(shè)計(jì)中，測(cè)繪是十分重要的基礎(chǔ)工作，也是貫穿鐵路運(yùn)營(yíng)全生命周期的長(zhǎng)期工作。新興測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，將進(jìn)一步提高鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化服務(wù)水平[1-2]。因此，研究和分析千尋位置服務(wù)應(yīng)用于鐵路勘測(cè)過(guò)程的可行性、優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)將千尋位置服務(wù)應(yīng)用于鐵路勘測(cè)及運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)過(guò)程，具有十分重要的意義。

當(dāng)前，鐵路常規(guī)勘測(cè)技術(shù)主要有單基站RTK、區(qū)域CORS-RTK、無(wú)人機(jī)航測(cè)以及傳統(tǒng)的地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)等。其中，單基站RTK存在作業(yè)精度隨距離的增加而衰減、需要架設(shè)基準(zhǔn)站以及作用距離有限等不足[3]；區(qū)域CORS-RTK技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了單基站RTK技術(shù)的不足，但是對(duì)于鐵路勘測(cè)這類長(zhǎng)大線路的精準(zhǔn)測(cè)控同樣存在作業(yè)距離有限的問(wèn)題，且區(qū)域CORS網(wǎng)絡(luò)多為各省市建立，申請(qǐng)使用的手續(xù)復(fù)雜，在網(wǎng)絡(luò)邊界處容易出現(xiàn)精度降低等現(xiàn)象[4]；無(wú)人機(jī)航測(cè)具有靈活方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其受氣象條件影響較大，難以滿足全天候作業(yè)要求，且在地面遮擋嚴(yán)重地區(qū)難以獲取準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)[5]；以全站儀等為主的地面數(shù)字測(cè)圖技術(shù)存在作業(yè)效率低下、測(cè)量精度影響因素較多等不足[6]。千尋位置服務(wù)在全國(guó)布設(shè)有大量的基準(zhǔn)站，并通過(guò)BDS地基增強(qiáng)系統(tǒng)提高其定位性能?；谶@一平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)為眾多行業(yè)和不同的場(chǎng)景提供高精度的定位服務(wù)[7]。千尋位置應(yīng)用于鐵路勘測(cè)的潛在優(yōu)勢(shì)在于省去了建立基準(zhǔn)站的環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的大范圍測(cè)量，并有望省去控制網(wǎng)的建網(wǎng)工作[8]，可很大程度上節(jié)省人力、物力、財(cái)力。

千尋位置是近年來(lái)新興的一種測(cè)量應(yīng)用方法，其基于先進(jìn)的融合定位算法并充分發(fā)揮全國(guó)大量基準(zhǔn)站的海量觀測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)[9]，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供全天候差分信息[10]。目前，千尋位置已在水利、農(nóng)業(yè)、礦山、物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)人車等行業(yè)開(kāi)展了大量應(yīng)用研究[11-14]，并取得了良好的應(yīng)用效果，但是尚無(wú)應(yīng)用于鐵路勘測(cè)中的相關(guān)研究。

1 千尋位置網(wǎng)絡(luò)CORS及其原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)CORS組成及原理

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)是以一個(gè)或多個(gè)持續(xù)工作且位置固定的GNSS基準(zhǔn)參考站、計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)以及數(shù)據(jù)通訊服務(wù)組成的網(wǎng)絡(luò)[15]。網(wǎng)絡(luò)CORS可以為用戶提供可靠的即時(shí)服務(wù)，具有高度信息化、數(shù)據(jù)高可靠性、支持高并發(fā)、服務(wù)高度自動(dòng)化和智能化等特點(diǎn)[16]。

網(wǎng)絡(luò)CORS主要包括參考站、數(shù)據(jù)計(jì)算中心、用戶終端、通信鏈路等四部分[17]。參考站主要為衛(wèi)星接收機(jī)以及天線等，用于提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。計(jì)算中心提供計(jì)算改正信息以及數(shù)據(jù)播發(fā)[18]。網(wǎng)絡(luò)CORS屬于多基站CORS，通過(guò)多個(gè)參考站提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)計(jì)算中心提供區(qū)域改正信息并播發(fā)，用戶可以免除架設(shè)參考站的環(huán)節(jié)，直接接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行RTK測(cè)量。千尋網(wǎng)絡(luò)CORS是多基站CORS系統(tǒng)，通常采用虛擬參考站技術(shù)(Virtual Reference Station，VRS)，主要原理如圖1所示。

圖1 CORS系統(tǒng)工作原理

CORS服務(wù)的關(guān)鍵在于提供準(zhǔn)確可靠的改正信息，這需要眾多固定參考站的連續(xù)長(zhǎng)期觀測(cè)，經(jīng)過(guò)優(yōu)選和加權(quán)處理，為用戶區(qū)域提供后處理星歷以及準(zhǔn)確的改正信息，用戶基于播發(fā)的改正信息進(jìn)行差分定位，獲得高精度定位結(jié)果?！扒ぶ纭笔乔の恢锰峁┑膭?dòng)態(tài)條件下的厘米級(jí)網(wǎng)絡(luò)CORS服務(wù)，其定位原理及流程可概括為：用戶向千尋網(wǎng)絡(luò)反饋其概略坐標(biāo)，千尋位置服務(wù)通過(guò)因特網(wǎng)為授權(quán)用戶提供目標(biāo)區(qū)域的高精度差分?jǐn)?shù)據(jù)，在用戶接收機(jī)固件中完成差分解算并最終得到穩(wěn)定的高精度定位結(jié)果。

1.2 基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的格網(wǎng)VRS基本理論

地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)是重要的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基礎(chǔ)設(shè)施，可以大幅度增強(qiáng)GNSS導(dǎo)航的定位性能，為廣域和海量用戶提供高實(shí)時(shí)、高精度的定位服務(wù)[19]，GBAS主要由計(jì)算中心、基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)、用戶終端及通信模塊四大部分組成[20]。各部分協(xié)調(diào)配合，其中基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，提供衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)等信息；計(jì)算中心負(fù)責(zé)改正數(shù)據(jù)的計(jì)算以及播發(fā)等任務(wù)。地基增強(qiáng)系統(tǒng)的組成示意見(jiàn)圖2。

圖2 地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成

格網(wǎng)VRS是對(duì)傳統(tǒng)VRS服務(wù)的改進(jìn)。在計(jì)算中心，將眾多參考站網(wǎng)絡(luò)按照地理范圍進(jìn)行網(wǎng)格分配，把各網(wǎng)格點(diǎn)作為虛擬參考站并按照一定的規(guī)則進(jìn)行格網(wǎng)點(diǎn)編號(hào)，基于參考站的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確坐標(biāo)，生成各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)虛擬參考站的虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)概略坐標(biāo)判斷用戶所在格網(wǎng)，為其提供差分觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而完成實(shí)時(shí)高精度定位。格網(wǎng)VRS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算中心和用戶終端之間為單向通訊連接，用戶終端無(wú)需向計(jì)算中心發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減小了通訊線路的負(fù)荷。

2 應(yīng)用驗(yàn)證

基于“千尋知寸”網(wǎng)絡(luò)CORS服務(wù)，提出在已經(jīng)建立高程和平面勘測(cè)控制網(wǎng)的作業(yè)范圍內(nèi)，利用“千尋知寸”開(kāi)展鐵路勘測(cè)的應(yīng)用思路。通過(guò)控制點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)和千尋位置采集的大地坐標(biāo)建立點(diǎn)校正，直接實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而開(kāi)展勘察測(cè)量工作?；谏鲜鏊悸?，在某鐵路勘測(cè)項(xiàng)目中開(kāi)展了應(yīng)用研究及精度驗(yàn)證。該項(xiàng)目的控制點(diǎn)網(wǎng)形見(jiàn)圖3。

圖3 項(xiàng)目控制點(diǎn)分布情況

采用本節(jié)所述應(yīng)用思路，以“千尋知寸”服務(wù)采集的GPS8201大地坐標(biāo)作為無(wú)約束平差起算點(diǎn)，得到其余各控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，在儀器手簿中進(jìn)行點(diǎn)校正計(jì)算，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。

基于“千尋知寸”的方法，采集到項(xiàng)目首級(jí)網(wǎng)各控制點(diǎn)的坐標(biāo)，與既有控制點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比并求差，見(jiàn)圖4。

圖4 既有控制網(wǎng)成果與測(cè)量值三維差值

由圖4可以看出，GPS8206～GPS8212測(cè)得的坐標(biāo)值與既有成果差別較大，平面坐標(biāo)分量差值最大為39 mm，高程最大差值為98 mm，且呈現(xiàn)一定的趨勢(shì)性。

由圖3可知，該線路呈狹長(zhǎng)狀，隨點(diǎn)號(hào)的增加，其與GPS8201的距離越長(zhǎng)。分析其原因，是無(wú)約束平差計(jì)算時(shí)采用線路一端的點(diǎn)作為起算點(diǎn)，由于靜態(tài)基線測(cè)量誤差的影響，離起算點(diǎn)越遠(yuǎn)的控制點(diǎn)誤差越大。其中，高程分量的趨勢(shì)性最為明顯。

為了驗(yàn)證上述現(xiàn)象是由基線測(cè)量誤差所引起，在平差計(jì)算時(shí)采用GPS8201(位于線路一端)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)作為起算點(diǎn)，將計(jì)算得到的坐標(biāo)與既有坐標(biāo)成果進(jìn)行對(duì)比，得到基線傳遞造成的理論差值；再以“千尋知寸”采集到的GPS8201坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，得到各控制點(diǎn)的坐標(biāo)。兩種方法所得三維差值結(jié)果如表1所示，并做“千尋知寸”方法所得差值與理論差值的一次差，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由表1和圖5可以看出，平面存在平均17.17 mm的固定誤差，高程存在平均32.92 mm的固定誤差，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)槠鹚泓c(diǎn)GPS8201的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)由千尋知寸RTK外業(yè)采集獲取，這一過(guò)程存在測(cè)量誤差。剔除這一固定誤差后，基線誤差傳遞引起的理論差值與測(cè)量值基本吻合，驗(yàn)證了離起算點(diǎn)越遠(yuǎn)的點(diǎn)偏差越大是由于基線測(cè)量誤差所引起。

表1 基線誤差傳遞引起的理論差值與測(cè)量值對(duì)比 mm

圖5 實(shí)測(cè)值所得差值與理論差值的一次差

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)研究總結(jié)了千尋網(wǎng)絡(luò)CORS及其基本原理，以及基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的格網(wǎng)VRS基本理論，并提出將千尋位置服務(wù)應(yīng)用于已有勘測(cè)控制網(wǎng)區(qū)域鐵路勘測(cè)的具體思路。結(jié)合某鐵路勘測(cè)項(xiàng)目，開(kāi)展了其應(yīng)用研究及精度驗(yàn)證，所得結(jié)論如下。

(1)“千尋知寸”服務(wù)應(yīng)用于鐵路勘測(cè)，能夠提供厘米級(jí)的定位精度，滿足常規(guī)鐵路勘測(cè)需求。

(2)其測(cè)量精度受既有基線測(cè)量誤差的影響，高程方向尤為明顯，離起算點(diǎn)越遠(yuǎn)誤差越大。因此，在使用過(guò)程中應(yīng)合理選擇起算點(diǎn)。

(3)由于“千尋知寸”RTK測(cè)量的誤差影響，直接用測(cè)量結(jié)果作為起算點(diǎn)推算各控制點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)造成平面約2 cm、高程方向約3 cm的誤差。