GPS在高速鐵路控制測量中的精度分析研究

1.引言

隨著軌道交通技術(shù)的日趨成熟，越來越多的城市依靠高速鐵路等交通工具進行信息交流工作[1]，不同城市之間的距離開始縮短。但由于不同城市的地形地勢不同，不僅為城市高速鐵路建設(shè)帶來了困擾，同時也為區(qū)域線路勘測工作的實施帶來了挑戰(zhàn)。為了解決上述問題，引入了GPS技術(shù)（又稱全球標(biāo)準(zhǔn)化定位系統(tǒng)），在很大程度上實現(xiàn)了全球建設(shè)的信息化水平，并在一定程度上推進了數(shù)字化時代的到來。根據(jù)有關(guān)勘察數(shù)據(jù)顯示，高速鐵路建設(shè)的路段通常為地勢較復(fù)雜的區(qū)域，相比其他建設(shè)區(qū)域，高速鐵路控制測量時橋梁、隧工點的精度要求受到連接隧道與橋梁的影響，這些條件均是影響控制測量精度的主要因素。通常情況下，高速鐵路控制測量使用三角網(wǎng)及導(dǎo)線網(wǎng)測量方式，這類方式需要測量的兩點間能夠通視，具備一定的通透性[2]。由于此種因素屬于非人為控制因素，相關(guān)工作在實施時，不僅耗費時間與精力，且精度無法控制在可調(diào)控范圍內(nèi)。將GPS技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路建設(shè)的控制測量工作中，可根據(jù)兩點間的距離對高速鐵路控制測量進行定位，使測量人員在工作中可實時掌握測量的定位結(jié)果，有利于提升高速鐵路控制測量的精度。基于此，本文以GPS技術(shù)的應(yīng)用為研究切入點，開展GPS在高速鐵路控制測量中的精度分析與研究，以實現(xiàn)控制測量全過程的高精度。

2.GPS網(wǎng)中控制測量基線定向解算

應(yīng)用GPS技術(shù)對高速鐵路控制測量點定位，主要利用測量基線對三差高速鐵路控制模型進行定向求解。其中三差是指同一組衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)中不同歷元數(shù)據(jù)的雙差數(shù)據(jù)值，這種控制測量點定位方法不僅有效地消除了參數(shù)具有模糊性的問題，同時也在一定程度上降低了衛(wèi)星定位軌道的誤差值[3]。假設(shè)控制站為1和2，測量時間為T1和T2，基于歷元同步觀測衛(wèi)星站p和q，建立雙差方程。此時，按照數(shù)據(jù)的靜態(tài)測量標(biāo)準(zhǔn)，劃分?jǐn)?shù)據(jù)有效時長測量段，定義不同類型數(shù)據(jù)的采集樣本間隔時間，使用PDOP進行數(shù)據(jù)的收集[4]。當(dāng)衛(wèi)星站點識別數(shù)據(jù)為雙頻數(shù)據(jù)時，定義高速鐵路控制測量三差模型。此過程可用公式（1）表示。

根據(jù)對高速鐵路控制測量未知點的分析，可利用三差計算方法，進行觀測站點與非差相位觀測值的方差定義，以此掌握不同衛(wèi)星觀測獲取的測量數(shù)據(jù)精度值。在此過程中，假定衛(wèi)星站點與數(shù)據(jù)測量站點之間不具備一定的關(guān)聯(lián)性[5]，即在相同的控制測量時間內(nèi)，歷元間的觀測值不相關(guān)?；诖?，可遵循數(shù)據(jù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的傳遞誤差定律，進行GPS 定位站的觀測值方差檢驗。具體過程如公式（2）所示。

公式（2）中：D表示GPS定位站的觀測值方差；t表示測量具體時間；i表示觀測站發(fā)送定位數(shù)據(jù)的次數(shù)；n表示誤差傳播定律；a、b分別表示衛(wèi)星站與觀測點；diag表示雙差觀測值；E表示隨機測量數(shù)據(jù)。在上述計算公式的基礎(chǔ)上，以為精度測量的時間依據(jù)，進行測量值—協(xié)方差矩陣的建設(shè)。如公式（3）所示。

3.高速鐵路控制測量數(shù)據(jù)處理與檢核

在完成上述GPS 網(wǎng)中控制測量基線定向解算工作后，可根據(jù)GPS 獲取的數(shù)據(jù)值，進行基線控制網(wǎng)平差數(shù)據(jù)的處理與檢核，以此作為控制測量精度分析的依據(jù)[6]。根據(jù)附帶的解算工具Log8.04，進行SYGPS 數(shù)據(jù)的處理。

分析測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，檢查獲取的數(shù)據(jù)是否符合技術(shù)設(shè)計規(guī)范和要求，并在此基礎(chǔ)上，按照控制測量時間，對當(dāng)天測量的數(shù)據(jù)進行基線定向求解。在求解過程中，采用廣播星歷或精密星歷，控制衛(wèi)星高度測量角宜在10°～20°之間[7]。在相同時間段觀測測量的數(shù)據(jù)值，篩選剔除率在10%以外的數(shù)據(jù)，保留其他數(shù)據(jù)集合，在此之外的數(shù)據(jù)控制測量點需要重測。同時，在任一時間段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)均應(yīng)保持同步測量時間。例如，CPI復(fù)核測網(wǎng)時間應(yīng)大于或等于90min；CPII復(fù)核測網(wǎng)時間應(yīng)大于或等于60min，以此類推。當(dāng)處理測量數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，測量的時間不在規(guī)定范圍內(nèi)時，此部分?jǐn)?shù)據(jù)自動作廢[8]，并且在任意一個時間段內(nèi)有效的GPS衛(wèi)星定位數(shù)量應(yīng)大于或等于4個，倘若某一時間段內(nèi)的控制測量數(shù)據(jù)的有效衛(wèi)星數(shù)量在4個以內(nèi)時，可認(rèn)為該段時間的數(shù)據(jù)作廢。

當(dāng)該站控制測量基線的定向控制測量數(shù)據(jù)完全符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可按照高速鐵路建設(shè)過程中的最小閉環(huán)原則，進行全網(wǎng)基線的閉環(huán)檢索，并對此種狀態(tài)下獲取的數(shù)據(jù)進行精度檢驗[9]。根據(jù)獨立邊觀測數(shù)據(jù)的閉合差值，精度檢驗可按照公式（4）實施。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型數(shù)據(jù)集合的特點，布設(shè)GPS網(wǎng)布。通常情況下，選擇邊部連接式結(jié)構(gòu)進行基線定向數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)核檢，此種核檢方式是綜合了基線與網(wǎng)布的平方差之間的聯(lián)系，根據(jù)復(fù)測邊與圖形的閉合條件，進行觀測網(wǎng)型的選擇。在相同的核檢條件下，此種網(wǎng)布的可靠度更高，更適用于分析高速鐵路控制測量的精度。

4.CPI高速鐵路控制測量數(shù)據(jù)精度分析

根據(jù)上述對高速鐵路控制測量數(shù)據(jù)的處理與檢核，導(dǎo)出處理后的數(shù)據(jù)集合，以CPI數(shù)據(jù)為分析標(biāo)準(zhǔn)，對此精度開展進一步的分析。

按照基線向量的異步環(huán)差閉合，遵循《高速鐵路工程測量規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）中提出的相關(guān)要求，進行閉合差的精度控制測量條件選擇[10]。公式（5）為精度控制測量應(yīng)滿足的要求。

在此基礎(chǔ)上，按照《規(guī)范》中提出的相關(guān)要求，分析不同時間段的控制測量基數(shù)是否滿足ds小于或等于重復(fù)獲取在不同控制測量時間段內(nèi)的最大CPI數(shù)據(jù)值，要求數(shù)據(jù)值應(yīng)滿足規(guī)范限差的要求，并綜合CPI控制網(wǎng)絡(luò)的檢查差值，進行基線重復(fù)極差的檢驗。當(dāng)求解計算在上述提出的精度控制量范圍內(nèi)時，認(rèn)為檢驗成果相對可靠，反之需要在此時進行高速鐵路控制測量的平差值計算。

除此之外，根據(jù)復(fù)測的平差數(shù)據(jù)值，進行控制測量過程的無約束平差校正。經(jīng)過基線的定向分量，校正的限制范圍為（Vx～Vs）。同時，控制高速鐵路控制測量過程中與自身向量網(wǎng)適配的數(shù)據(jù)集合精度，當(dāng)此時集合中無顯著粗差時，認(rèn)為此時數(shù)據(jù)基線的控制測量精度符合數(shù)據(jù)兼容性要求。綜上所述，通過定向解算GPS 網(wǎng)中控制測量基線、處理高速鐵路控制測量數(shù)據(jù)，完成對CPI 高速鐵路控制測量數(shù)據(jù)精度的分析。

5.結(jié)語

為提升高速鐵路控制測量數(shù)據(jù)的精度，本文開展了GPS在高速鐵路控制測量中的精度分析。使用專項數(shù)據(jù)接收設(shè)備，采集高速鐵路建設(shè)相關(guān)工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對CPI控制點進行了重復(fù)數(shù)據(jù)檢測。通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下高速鐵路控制測量工作的實施仍存在一些問題，為此在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大全球定位系統(tǒng)等相關(guān)現(xiàn)代化技術(shù)在其中的應(yīng)用，根據(jù)項目對精度的需求，進行基線的定向檢測。若在小范圍內(nèi)的高速鐵路控制測量工程中，可根據(jù)區(qū)域地形與地勢，進行邊網(wǎng)的布設(shè)，并加大對業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)的采集力度，以此建設(shè)滿足精度要求的基線，進而使控制測量精度達到理想的要求。除此之外，為了進一步提高測量工作的嚴(yán)謹(jǐn)性，在測量工作中，可在原有測量點的基礎(chǔ)上，增加周圍點的檢測次數(shù)，以求取平均值為工作的基礎(chǔ)，并剔除相關(guān)粗差點，以便后期交接工作的順利開展。