北斗定位技術(shù)在高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

田孟磊

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611700）

1 北斗定位技術(shù)

隨著衛(wèi)星高精度定位技術(shù)的發(fā)展和各類通信設(shè)備的更新，高速鐵路設(shè)施變形的非接觸和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難題迎來新的化解點(diǎn)。我國自主獨(dú)立研發(fā)運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）能夠?yàn)槿蛴脩籼峁﹦?dòng)態(tài)全天候的定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)，現(xiàn)階段北斗二號(hào)系統(tǒng)服務(wù)范圍已覆蓋亞太地區(qū)?；诖?，北斗高定位技術(shù)在不同領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，在高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)作業(yè)中，北斗高精度定位技術(shù)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾較小，可連續(xù)動(dòng)態(tài)追蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移變化。

2 北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

北斗定位技術(shù)通過北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位，利用北斗衛(wèi)星接收和發(fā)送信息，精確測(cè)算已知位置與地面接收機(jī)的距離，同時(shí)通過多個(gè)衛(wèi)星確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息，獲得精確的空間坐標(biāo)。相較于傳統(tǒng)定位技術(shù)，北斗高精度定位技術(shù)的基本原理為選擇一臺(tái)靜止的北斗設(shè)備，將其作為基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)在測(cè)試點(diǎn)位置布置北斗接收機(jī)，將其作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)用載波相位信息和載波相位差分技術(shù)，消除來自衛(wèi)星、接收機(jī)及電離層信號(hào)延遲等因素的誤差，控制各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精度，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的高精度測(cè)量。

北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由4大部分構(gòu)成，具體包括北斗接收機(jī)和天線、數(shù)據(jù)傳輸模塊、太陽能供電系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理中心。北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)流程為北斗接收機(jī)負(fù)責(zé)獲取一手觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸模塊通過4G和寬帶衛(wèi)星等方式，將收集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器，由云服務(wù)器數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，最后獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確空間坐標(biāo)信息。

3 高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 工程概況

某高速鐵路為國鐵Ⅰ級(jí)、客貨共線、雙線電氣化有砟軌道線路，設(shè)計(jì)速度250 km/h，列車初期運(yùn)營速度200 km/h。高速鐵路工程投入運(yùn)行使用后發(fā)現(xiàn)，局部路段存在沉降，不均勻沉降病害總長為5.3 km，集中出現(xiàn)在兩處跨江橋梁段及中間區(qū)間路段位置。在該高速公路沉降變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)，截至2017年12月，兩處跨江橋梁段最大沉降量約160 mm，中間的區(qū)間路基周邊地表最大沉降量約為60 mm，沿線構(gòu)筑物最大沉降量約為120 mm。

3.2 北斗定位的精度驗(yàn)證試驗(yàn)

影響高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)作業(yè)的因素較多，其場(chǎng)干擾因素是主要影響因素之一，如接觸網(wǎng)27.5 kV高壓線的存在會(huì)降低北斗定位精度，導(dǎo)致測(cè)量誤差的出現(xiàn)。為了消除現(xiàn)場(chǎng)干擾因素對(duì)北斗高精度定位作業(yè)的影響，選擇在中間的區(qū)間路基段沿線、周邊場(chǎng)地視野開闊、土質(zhì)堅(jiān)硬及受人為因素影響較小的位置布置測(cè)試點(diǎn)，并在布設(shè)過程中應(yīng)保持測(cè)試點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)相距350 m。根據(jù)北斗高精度定位技術(shù)在高速鐵路線下工程中的監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，可在北斗接收機(jī)底部位置增設(shè)高程可調(diào)節(jié)的支座，便于對(duì)比北斗測(cè)試點(diǎn)位移情況與高速鐵路工程中路基實(shí)際的位移。

3.3 變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

為了保證垂直位移的精度，降低基線長度對(duì)北斗定位技術(shù)的影響，需要編制科學(xué)完善的變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案，將基線長度控制在5 km范圍內(nèi)。在全面考察該高速鐵路工程、線路結(jié)構(gòu)和分析鐵路的前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，擬在中間區(qū)段沿線路縱向布設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間距500～1 000 m，兩處跨橋梁段共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為BDS1、BDS2、BDS3、BDS4、BDS7、BDS8，中間區(qū)間路基段布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)位為BDS5、BDS6。

安裝北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過程中，不可影響高速鐵路線路正常進(jìn)行運(yùn)維作業(yè)，保證北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝質(zhì)量，避免列車運(yùn)行過程中搖晃和碰撞北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)出現(xiàn)不均勻沉降病害的位置布置北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在兩處跨江橋梁段布設(shè)北斗接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集儀時(shí)，應(yīng)保證作業(yè)的安全性，選擇在橋梁護(hù)欄處布置監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)用膨脹螺絲將接收機(jī)、采集儀及太陽能供電系統(tǒng)等設(shè)施緊固在橋梁擋砟墻外側(cè)。

在中間的區(qū)間路基段按照北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在路基兩級(jí)邊坡平臺(tái)位置布設(shè)北斗接收機(jī)和數(shù)據(jù)采集儀，將太陽能供電系統(tǒng)布設(shè)在路基斜坡邊墻外側(cè)，增設(shè)防護(hù)罩，避免太陽能供電系統(tǒng)損壞[1]。

主要的北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種，即4G和寬帶衛(wèi)星（LoRa）。兩種數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)用的環(huán)境有所區(qū)別，4G數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用于有通信信號(hào)覆蓋的區(qū)域，LoRa主要應(yīng)用于其他無通信信號(hào)覆蓋的區(qū)域，保證北斗測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在任何環(huán)境下進(jìn)行傳輸。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 北斗定位精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

嚴(yán)格根據(jù)北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)方案落實(shí)布置試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 北斗定位精度試驗(yàn)結(jié)果

北斗定位精度試驗(yàn)結(jié)果顯示，受到天氣變化的影響，北斗設(shè)備測(cè)量的豎直位移與實(shí)際調(diào)整位移差絕對(duì)差值變動(dòng)范圍為0.6～3 mm。在臺(tái)風(fēng)天氣的影響下，測(cè)量誤差較大，分別達(dá)到了3.0 mm和2.4 mm，總體與北斗定位技術(shù)標(biāo)定豎直位移精度（±3 mm）吻合。由此可知，在貫徹落實(shí)高速鐵路長期沉降變形監(jiān)測(cè)中，應(yīng)關(guān)注臺(tái)風(fēng)天氣，控制臺(tái)風(fēng)天氣產(chǎn)生的測(cè)量誤差，識(shí)別處理異常值[2]。

4.2 沉降變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

考慮監(jiān)測(cè)過程中受到的氣候因素的影響，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多次面對(duì)臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)降雨等災(zāi)害天氣，沉降變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)開展時(shí)間共60 d，北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無明顯異常。

收集8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并取5～6組互差＜5 mm的測(cè)量值，計(jì)算平均值，將平均值設(shè)計(jì)為初始值，繪制8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線。

由沉降變化曲線可知，在實(shí)施監(jiān)測(cè)過程中，8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形幅度較小，沉降量變動(dòng)速度較為緩慢，累計(jì)沉降量較小。對(duì)比分析8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化曲線可知，基線長度不同，沉降變化波動(dòng)幅度也不同，基線長度越長，沉降變化波動(dòng)幅度越大。

在8個(gè)沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，跨江橋梁段處監(jiān)測(cè)點(diǎn)BSD1的基線長度中最長，對(duì)應(yīng)的沉降變化的波動(dòng)幅度最大；路基段監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDS5基線最短，對(duì)應(yīng)的沉降變化的幅度最小，變化范圍為-0.6～2.3 mm。

按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離，計(jì)算測(cè)量誤差：

式中：n——觀測(cè)值個(gè)數(shù)；Δi——第i個(gè)觀測(cè)值誤差。

根據(jù)計(jì)算公式，明確觀測(cè)值，測(cè)算不同基線長度下的測(cè)量誤差，分別確定8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)量誤差，并進(jìn)行擬合。

繪制測(cè)量中，誤差與基線長度的擬合直線如圖1所示。

圖1 測(cè)量中誤差與基線長度的擬合直線

由圖1可知，基線長度會(huì)影響北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，兩者的關(guān)系為正比例增長，相關(guān)系數(shù)為0.9。按照鐵總運(yùn)〔2015〕60號(hào)《高速鐵路路基修理規(guī)則》等文件的明確規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格控制高速鐵路變形測(cè)量誤差，保證沉降變形監(jiān)測(cè)作業(yè)的精確性和科學(xué)性。因此應(yīng)控制基線長度，不得超出3 km（若精度要求較高基線長度應(yīng)保持在1 km以內(nèi)），嚴(yán)格按照有砟軌道路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施作業(yè)，保證北斗變形監(jiān)測(cè)精度。

有砟軌道路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)詳情如表2所示。

表2 路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語

綜上所述，在高速鐵路沉降變形監(jiān)測(cè)工作中，接觸網(wǎng)高壓線對(duì)北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響可忽略不計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注臺(tái)風(fēng)等特殊天氣對(duì)電離層的影響，區(qū)別處理測(cè)量異常值?；€長度會(huì)直接影響北斗變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差，兩者關(guān)系為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9，應(yīng)嚴(yán)格控制基線長度，保證監(jiān)測(cè)作業(yè)符合相關(guān)技術(shù)要求。