鐵路平面控制測量中GPS技術(shù)的應(yīng)用研究

戴鴻昌

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

目前在我國鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃開展的情況下，做好鐵路工程項目質(zhì)量管理具有必要性，尤其是高等級鐵路技術(shù)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)空間測繪技術(shù)已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)精度管理的相關(guān)要求，而基于衛(wèi)星、遠(yuǎn)程通信技術(shù)于一體的GPS 技術(shù)成為鐵路平面控制測量提供了新的選擇。作為一種高性能信息技術(shù)，GPS 技術(shù)具有全天候、精度高、經(jīng)濟(jì)效益滿意等優(yōu)點，能夠提升鐵路平面控制測量精度數(shù)據(jù)質(zhì)量，具有推廣價值。

1 GPS 技術(shù)的檢測原理

在鐵路平面控制測量中，GPS 技術(shù)可以在同一時刻解析多個鐵路平面空間信息，利用距離交會法計算出不同點位之間的空間位置分布方案。其中，為了提升平面控制測量數(shù)據(jù)結(jié)果的精準(zhǔn)度，可以同時通過五顆以上衛(wèi)星解算獲得的基線向量坐標(biāo)誤差，即點位的“X，Y，Z”值，根據(jù)已知坐標(biāo)點坐標(biāo)獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)計算其他點位坐標(biāo)值。

GPS 技術(shù)的特征主要表現(xiàn)為：

一是高精度三維定位，利用GPS 衛(wèi)星獲取三維定位數(shù)據(jù)后，通過多個點位的空間信息提取結(jié)果，可消除不同點位之間的誤差累積，并且該技術(shù)解決了傳統(tǒng)檢測技術(shù)存在的逐點推算的問題，整個數(shù)據(jù)檢測結(jié)果精準(zhǔn)度高。

二是具有靈活的GPS 布點形式，在空間分布上打破了各個點位之間相互限制的問題，因此GPS 在空間坐標(biāo)檢測中不受點間距離與控制網(wǎng)形狀等因素影響[1]。

三是GPS 技術(shù)具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，對于作業(yè)條件幾乎無特殊要求，并且對于不同氣候環(huán)境都展現(xiàn)出良好的適應(yīng)能力。

2 平面控制測量布設(shè)原則

根據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)定，在鐵路平面控制測量過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照大地點測量加密GPS 點位，在GPS 標(biāo)準(zhǔn)點位基礎(chǔ)上測量鐵路二等導(dǎo)線空間位置，根據(jù)導(dǎo)線點位差異檢測路線中位點，且GPS 檢測的空間數(shù)據(jù)可以用于鋪設(shè)軌道。新建鐵路工程項目勘測中，相關(guān)人員提出一次性布網(wǎng)操作要求，該技術(shù)通過將各級控制點布設(shè)成同一等級，可以使航測、初測、定測等環(huán)節(jié)處于相同控制網(wǎng)中，最終達(dá)到提升處理效率的目的。

為保證GPS 技術(shù)測量結(jié)果的合理性，布設(shè)測量點位時應(yīng)正確評估點位軌道的幾何形狀、平順度等。根據(jù)某鐵路工程項目的實踐經(jīng)驗可知，在鐵路平面控制測量中采用了GPS 檢測技術(shù)，該項目中每隔5km 布設(shè)一個相互通視對面，并且所有點位均能長期保存（見圖1）。

圖1 某鐵路工程項目GPS 布點方案

該項目在路線初測與定測環(huán)節(jié)，采用GPS RTK復(fù)核線路的中線與加密點位分布情況，且該項目的實踐經(jīng)驗也證實，通過GPS 定測可根據(jù)初測導(dǎo)線、水準(zhǔn)點將初步設(shè)計在圖紙上的路線測設(shè)到實地，按照現(xiàn)場劃分結(jié)果確定了路線分布方案。在鐵路平面控制定測中，利用GPS 的動態(tài)定位功能可以將已經(jīng)設(shè)計的路線（包括橋涵、隧道）工點實地放樣到地面上，如較早之前的青藏鐵路建設(shè)中，技術(shù)人員就通過GPS 動態(tài)定位檢測功能多次復(fù)測驗證點位合理性，青藏鐵路項目的檢測結(jié)果也證明，GPS 定線測量完全滿足鐵路建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了節(jié)省人力資源的目的。在布網(wǎng)設(shè)計中應(yīng)考慮原有測繪成果資料以及各種大比例尺地形圖的使用，對于所有符合GPS-E 級網(wǎng)布點要求的舊有控制點，應(yīng)充分利用其標(biāo)石。在數(shù)據(jù)處理中，為獲得GPS 網(wǎng)點正常標(biāo)高，在布設(shè)點位前應(yīng)做高程聯(lián)測，在聯(lián)測前通過高水準(zhǔn)推進(jìn)方案做好質(zhì)量控制，其目的是確保聯(lián)測的GPS-E 級控制點且應(yīng)均勻分布于網(wǎng)中[2]。

對于部分不方便進(jìn)行GPS 測量地段，可在測量加密后布設(shè)滿足初測與定測的導(dǎo)線，這樣同樣可以獲得鐵路路線的中線分布位置。若鐵路工程項目中存在大中型構(gòu)筑物，構(gòu)筑物軸線的位置應(yīng)滿足線路整體形狀的要求。在高速鐵路鋪軌前，應(yīng)布設(shè)較高精度的導(dǎo)線，通過上述測量方法可以精準(zhǔn)評估軌道形狀合理性，判斷是否會對最終測量鐵路平面控制測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

3 平面控制測量精度要求

在鐵路平面控制測量質(zhì)量控制中，影響鐵路行車穩(wěn)定性、行車安全的因素主要分為兩方面，一方面是線路的平順性，另一方面是路線平縱斷面等。在列車行駛期間為滿足旅客對舒適性、列車行駛速度等幾個方面的要求，鐵路平面控制測量應(yīng)密切觀察道路平順度變化。其中通過GPS 技術(shù)可以檢測鐵路路線方向分布是否平均，或者鋼軌方案垂直方向有無凹凸不平等質(zhì)量問題。根據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為滿足鐵路項目的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在鐵路平面控制測量上應(yīng)確保線路方向的每20m，實測正矢與理論正矢之間的數(shù)據(jù)差額應(yīng)小于等于2.0mm。

路線平均度對精度控制測量提出了更嚴(yán)格的要求，從鐵路平面控制測量精度管理要求來看平順度是一種無法消除的局部誤差，該誤差值小并且無法從根本上消除。在傳統(tǒng)的精度檢測工藝中一直使用大地測量方法，但是該方法所得出的結(jié)果存在一定的誤差，這是因為該技術(shù)的檢測結(jié)果容易受到外界因素的影響，并且監(jiān)測點的布設(shè)方案困難，整體造價高，這些因素均限制了大地測量技術(shù)的進(jìn)一步推廣。而相比之下，采用GPS 可以解決傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，利用GPS技術(shù)的拓展性、環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點，可消除平順度對線路位置誤差的影響，避免平均精度位置誤差擴(kuò)大。

在鐵路平面控制測量中，利用GPS 技術(shù)不僅可以消除路線局部平順度，也可以調(diào)整路線形狀。為滿足質(zhì)量控制要求，在當(dāng)前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，鐵路在5km 范圍內(nèi)無論是曲線段、直線段的偏離設(shè)置位置應(yīng)小于等于50mm，偏離幅度小于等于100mm，路線平面偏離設(shè)計位置中誤差小于等于25mm[3]。為避免上述問題發(fā)生，可利用GPS 測量鐵路路線局部平順度要求，必要時可采用PGS 加密點長期保存的方法控制數(shù)據(jù)精度，將每20m 弦實測正矢與理論正矢之間的誤差控制在1.8mm 以內(nèi)，確保鐵路路線位置滿足質(zhì)量要求。

4 應(yīng)用實例分析

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某鐵路平面控制測量項目全長為20.05km，項目采用了靜態(tài)相對定位作業(yè)模式，將兩臺以上的GPS 接收機(jī)安裝在多條基線端點位置，通過該技術(shù)可以同步觀察4 顆以上衛(wèi)星，系統(tǒng)通過計算上述基線向量的坐標(biāo)差，即可判斷鐵路平面分布有無異常情況，工作人員也可以通過已知坐標(biāo)點與系統(tǒng)檢測的坐標(biāo)誤差推算其他監(jiān)測點位的坐標(biāo)值。

4.2 平面控制測量方案

4.2.1 布設(shè)平面控制網(wǎng)

該項目中將鐵路GPS 網(wǎng)絡(luò)劃分為B 至E 共計四個等級，按照GPS 測量特點以及鐵路控制網(wǎng)的分辨分布特性，該鐵路工程的平面控制網(wǎng)采用分級布設(shè)模式。其中，在初測時設(shè)置D 級檢測口控制點12 個，E 級控制點位35 個，所有點位均被設(shè)置在線路周圍約500m范圍內(nèi)。同時，在考慮下一階段數(shù)據(jù)處理要求的基礎(chǔ)上，該項目經(jīng)過隧道等特殊空間，因此技術(shù)人員在隧道進(jìn)出口、頂部以及站場等位置設(shè)置布控點，每一處至少設(shè)置三個對點相互通視，確保點位空間信息確定，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差。

4.2.2 控制網(wǎng)施測

根據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)定，加密國家登記點位測量應(yīng)滿足D 級以上技術(shù)檢測要求，并且路線控制測量、航測等可按照E 級GPS 網(wǎng)技術(shù)規(guī)程實測。因此，在綜合考慮該項目鐵路走向以及既有GPS 點位空間分布的情況下，在此次平面控制測網(wǎng)中采用分級施測方法。目前常見的GPS 布網(wǎng)方式，包括會戰(zhàn)式、單基準(zhǔn)站式以同步圖形擴(kuò)展式等，在此次控制網(wǎng)施測中采用同步圖形擴(kuò)展式模式，該方法的核心是通過多臺接收機(jī)在不同測站上做同步觀察，通過隨機(jī)設(shè)定任意的觀測段的測量點位變化情況，每次同步觀察時都可以形成同步圖形[4]。

測量期間不同同步圖形中提供若干公共連接點位，GPS 網(wǎng)絡(luò)均由同步圖形組成，利用GPS 技術(shù)的拓展速度快、圖形強(qiáng)度高等優(yōu)點，可快速提取關(guān)鍵測量信息。該項目中平面控制網(wǎng)主要分為D 級、E 級兩種，其中在D 級控制網(wǎng)施測時可利用C 級GPS 點106P、090P 等作為平面起算數(shù)據(jù)，起算數(shù)據(jù)與控制點成果屬1954 年北京坐標(biāo)系，在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中使用Trim 接收機(jī)觀測控制網(wǎng)。E 級控制網(wǎng)利用D 級GPS點CPI111、CPI112 為平面起算數(shù)據(jù)。假定按GPS 網(wǎng)相鄰兩點的誤差值等于基線長度的精度值。在數(shù)據(jù)處理中可按照公式（1）計算通視點之間的最短距離。

式（1）中：l表示最短距離，m；a表示固定誤差值；b表示比例誤差系數(shù)；d表示同時通視點長度，m；ρ表示線路位置誤差。

4.3 數(shù)據(jù)處理方法

在觀測后處理采集的數(shù)據(jù)，詳細(xì)復(fù)核天線號、點號，在確定數(shù)據(jù)無誤后做基線解算?；€向量解算中使用商用處理軟件，該項目中為保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的統(tǒng)一性，該項目利用TGO 軟件檢核基線值。數(shù)據(jù)解析結(jié)束后，兩套軟件解算的極限差絕對值應(yīng)小于等于0.01m。在基線質(zhì)量檢驗限差表數(shù)據(jù)處理中，可按照表1 數(shù)據(jù)評估數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。

表1 基線質(zhì)量檢查限差數(shù)據(jù)表

在數(shù)據(jù)處理中，當(dāng)基線質(zhì)量不符合要求或者環(huán)閉合差超限不測時，根據(jù)計算結(jié)果判斷其閉環(huán)核查、基線核查成果等是否滿足質(zhì)量控制要求。

在GPS 系統(tǒng)復(fù)測時，確定基線以及異步環(huán)均滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后，可通過TGPPS 軟件展開無約束網(wǎng)平差計算，剔除其中的粗差以及明顯系統(tǒng)誤差后，評估網(wǎng)內(nèi)符合精度情況。根據(jù)該項目的實踐經(jīng)驗研究發(fā)現(xiàn)基線向量網(wǎng)內(nèi)符合精度較高，基線向量網(wǎng)的可靠性良好。最后，通過TGPPS 軟件計算整體平差值，起算數(shù)據(jù)為GPS 基站網(wǎng)空間直角坐標(biāo)值。根據(jù)基站網(wǎng)空間坐標(biāo)值變化情況可以正確判斷監(jiān)測點位的空間分布方案，根據(jù)對比數(shù)據(jù)差異判斷有無點位空間分布異常等質(zhì)量問題。

按照上述處理結(jié)果可知，GPS 靜態(tài)技術(shù)顯著提升了作業(yè)效率，相對點位精度誤差僅為3.92mm，低于15.68mm 限差；CPI 控制點平差后點位誤差僅為4.29mm，低于10mm 的限差。

5 GPS 技術(shù)應(yīng)用的注意事項

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗可知，在數(shù)據(jù)解算支持算法中，基于GPS 的工程測量方法可以獲得厘米級測量結(jié)果，但是為保證鐵路平面控制測量結(jié)果的精度，在GPS 技術(shù)應(yīng)用時應(yīng)注意以下問題：

一是在鐵路平面控制測量中，影響GPS 信號數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的因素較多，但是各類影響因素基本可以得到控制。在GPS 測量過程中所獲得的直接數(shù)據(jù)精度偏低，造成這一結(jié)果的原因是多方面的，除了信號格式問題外，也與下列因素存在相關(guān)性。

其一，在GPS 衛(wèi)星運行期間可能出現(xiàn)多次軌道攝動問題，該問題會導(dǎo)致GPS 衛(wèi)星運行的實際軌跡與定規(guī)數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)誤差，而此類誤差較大，最終影響接收機(jī)的最終處理結(jié)果，不利于保證鐵路平面控制測量結(jié)果精度。有學(xué)者研究認(rèn)為，GPS 衛(wèi)星定軌數(shù)據(jù)誤差可能被累積放大，并造成大量不可用數(shù)據(jù)[5]。其二，信號傳輸中受到諸多因素干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果失真。這是因為在信號傳輸期間，受電離層折射作用的影響會導(dǎo)致信號偏折等現(xiàn)象，同時大氣中對流層的散射作用造成信號衰減，不利于干擾機(jī)對r 值的判斷。同時，近地?zé)o線電信號環(huán)境日益惡化，在信號雜波作用下導(dǎo)致接收機(jī)所接收的信號出現(xiàn)巨大偏差。其三，系統(tǒng)誤差導(dǎo)致系統(tǒng)鐘差效應(yīng)對于測量結(jié)果有直接影響。

二是非剛性解算過程尚不能在GPS 解算數(shù)據(jù)中應(yīng)用。為滿足鐵路平面控制質(zhì)量檢測要求，相關(guān)學(xué)者嘗試通過非剛性解算法對GPS 數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，并采取神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)或者模糊矩陣等。但是實踐經(jīng)驗證明，上述算法并不能將GPS 測量數(shù)據(jù)解算至更高精度，這是鐵路平面控制測量中不容忽視的問題。造成這一現(xiàn)象的原因為模糊矩陣算法自身的局限性。模糊矩陣算法常用于邏輯判斷，其數(shù)據(jù)處理過程自身存在局限性，雖然模糊矩陣算法可以評估數(shù)據(jù)中有無誤差值，但是會嚴(yán)重占用計算資源，再加之多種干擾因素的影響，導(dǎo)致難以有效消除全部誤差。在GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中，模糊矩陣算法依然無法消除傳統(tǒng)計算方法的弊端，在復(fù)雜的干擾因素作用下，模糊矩陣中依然可能存在數(shù)據(jù)差異。

6 結(jié)語

GPS 技術(shù)的出現(xiàn)可以顯著提升鐵路平面控制測量質(zhì)量，根據(jù)本文的應(yīng)用經(jīng)驗可知，該技術(shù)的出現(xiàn)有助于消除潛在數(shù)據(jù)誤差，目前該技術(shù)的發(fā)展勢頭良好，利用GPS 技術(shù)所提供的定位等功能支持，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)平面控制網(wǎng)策略，為指導(dǎo)鐵路工程項目施工建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。從長遠(yuǎn)角度來看，未來相關(guān)人員還需要從GPS 技術(shù)的穩(wěn)定性入手，分析其他風(fēng)險因素對最終測量結(jié)果的影響，這樣才能確保定位結(jié)果的數(shù)據(jù)精度，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。