淺談GPS在高等鐵路平面控制測量中的應用

黃軍俠

GPS是英文縮寫詞“NAVSTAR/GPS”的簡稱,全名是“NAV-igation System Timeing And Ranging/Global Positioning System” ,即“授時與測距的導航系統/全球定位系統”。隨著GPS系統的發展,GPS以其全能性、全球性、全天候、連續性和實時性的精密三維導航與定位功能已經廣泛的應用于測繪各個領域。

隨著國家對鐵路等基礎設施的投入,鐵路建設進入了大發展時期,特別是高等級鐵路技術的應用,對測繪技術的要求更高,傳統的測繪儀器已經不能滿足現在的要求,因此GPS技術在高等鐵路平面控制測量中得到了廣泛的應用。

高等鐵路測量主要應用了GPS靜態測量和RTK技術。靜態測量主要用于平面控制網的測量,RTK主要用于實地放線。本文結合某高等鐵路平面控制網的測量說明GPS在靜態測量的具體應用。

1 測量原理

GPS系統是由美國建立的一個衛星導航定位系統,利用該系統用戶不但可以在全球范圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測速;而且還可以進行高精度的時間傳遞和高精度的精密定位。它由三大部分組成：空間部分—GPS衛星、地面控制部分—地面監控系統、用戶設備部分—GPS信號接收機;在GPS定位中,空間部分的GPS衛星發射測距信號和導航電文(導航電文中含有衛星的位置信息),用戶用GPS接收機在某一時刻同時接收3顆以上的GPS衛星信號,測量出測站點(接收機天線中心)至3顆以上GPS衛星的距離并解算出該時刻GPS衛星的空間坐標,據此利用距離交會法解算出測站的位置。

2 平面控制測量

2.1 線路平面控制網的布設

根據規范要求,高等鐵路控制測量平面控制網按分級布網的原則分四級布設,第一級為GPS基站網,第二級為基礎平面控制網(CPⅠ),第三級為線路控制網(CPⅡ),第四級為基樁控制網(CPⅢ)。本文以基礎平面控制網的測量為例來說明GPS在高等鐵路平面控制測量中的應用。

基礎平面控制網(CPⅠ)在第一級基站點的基礎上,按 3 km～4 km布設一個或一對通視點,若成對布設其通視邊長以800 m～1 000 m為宜。本線暫按單點進行布設,特殊工點(特大橋和隧道進出口)按照點對進行布設,全線共布設約92個CPⅠ控制點。CPⅠ測量以四邊形構網,按邊聯式帶狀布網。

CPⅠ點位應便于安置GPS接收機,周圍視野開闊,便于 GPS衛星信號的接收。其要求：點位要盡量選擇在四周開闊的區域,在地面高度角15°內不應有成片的障礙物;點位應選擇在交通方便,且利于安全作業的地方;點位附近不應有大面積水域或其他強烈干擾衛星信號接收的物體(如金屬廣告牌等);點位需遠離大功率無線電發射源(如電視臺、電臺、微波站等),遠離高壓輸電線,其距離均不得小于200 m。

2.2 平面控制網的施測

GPS作業時2個時段天線定向標志線應分別指向正北和正南;每個時段觀測前、后各量天線高一次,兩次較差值小于2 mm,取均值作為最后成果。

觀測過程中不得在天線附近50 m以內使用電臺,10 m以內使用對講機;在一時段觀測過程中不允許進行以下操作：接收機關閉又重新啟動,進行自測試,改變衛星仰角限,改變數據采樣間隔,按動關閉文件和刪除文件等功能。同時觀測記錄氣象元素。

基礎平面控制網(CPⅠ)觀測技術按照《客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規定》B級執行。觀測按照四邊形構網,兩個時段連續觀測,第二個時段應變換儀器高并將天線定向標志指向轉180°。按跳躍式遷站,即在地形及人員調配有利于提高工作效率的前提下,前進方向兩臺儀器不動(但要變換儀器高),另外兩臺跳到前進方向下一對點進行同步觀測。

因施工工期要求,全線不可能統一進行CPⅠ控制網的整體平差,而只能分段進行測量、平差、提供成果供后續工作使用。為了保證各段之間的順接,一般要求每個測量段落不能短于4 km,并且要求上下接頭段落應重疊測量2對CPⅠ點。本段采用4臺Trimble R8雙頻接收機觀測。

在開工前及作業過程中,按照有關規定對儀器進行常規檢校。觀測中應保證接收機工作正常,數據記錄正確,每日觀測結束后,應及時將數據轉存至計算機硬盤上,以確保觀測數據不丟失。行基線解算,并通過TGO軟件進行基線檢核,兩套軟件解算的基線平差后坐標絕對值較差最大值DX=0.009 5 m,DY=0.008 2 m,符合規范要求。重復基線及環閉合差檢驗滿足表1要求。

復測基線及異步環滿足要求后,采用同濟大學測量系的TGPPS Win32軟件進行無約束網平差計算。對觀測值后驗中誤差、殘差、標準殘差進行統計分析,剔除有粗差和明顯的系統誤差,同時考察網的內符合精度,從網平差報告來看,CPⅠ網無約束平差基線向量改正數最大值VX=4.8 mm,VY=-5.7 mm,VZ=7.0 mm,分別小于16.3 mm,17.5 mm,25.5 mm的限差。基線向量網內符合精度很高,基線向量網的質量十分可靠。最后采用TGPPS Win32軟件進行整體平差,起算數據為GPS基站網的空間直角坐標(X,Y,Z),三維固定。CPⅠ控制點平差后點位誤差Mp最大值為4.5mm,小于±10 mm的限差;相對點位精度3.92 mm,小于15.68 mm的限差;最弱邊相對中誤差最大為1/3 076 251,小于1/170 000的限差,滿足規范要求。

從上述所統計的各項誤差與限差比較可知,GPS網的精度非常高,符合規范要求。在高等鐵路測量中,GPS靜態技術提高了作業效率,快速高效的完成了平面控制網的測量,各項技術指標均達到規范要求,保證了外業勘測工作的順利完成。

4 結語

表1 基線質量檢驗限差表

3 數據處理及精度分析

觀測完畢后對所有觀測數據進行復核,點號、天線量高方式、天線高等數據無誤后進行基線解算。基線向量解算采用廣播星歷和商用軟件,為保證數據的一致性,統一采用商用軟件LGO進

GPS應用發展勢頭迅猛,在我國的應用已從少數科研單位和軍用部門迅速擴展到各個民用領域,GPS的廣泛應用改變了人們的工作方式,提高了工作效率,帶來了巨大的經濟效益。可以說,GPS在我國的應用前景是無限的。

[1]TB 10101-2009,鐵路工程測量規范[S].

[2]鐵建設[2006]189號.客運專線無碴軌道鐵路工程測量暫行規定[S].

[3]GB/T 18314-2006,全球定位系統(GPS)測量規范[S].

[4]GB/T 10054-97,全球定位系統(GPS)鐵路測量規程[S].

[5]孫計軍,孫計祥.平面控制測量數據相差診斷模塊的開發[J].山西建筑,2008,34(6)：359-360.