GPS在鐵路工程測量中的應用

王曉磊

（新疆鐵道勘察設計院，新疆 烏魯木齊 830011）

GPS在鐵路工程測量中的應用

王曉磊

（新疆鐵道勘察設計院，新疆 烏魯木齊 830011）

全球定位系統（Global Positioning System-GPS）是美國研制并在1994年投入使用的衛星導航與定位系統。GPS技術在鐵路測量中的應用，是鐵路測量的一項革命性的技術革新。本文概述了GPS系統在鐵路工程測量中的應用，并對其作業流程和性能、效率進行了分析。

GPS定位系統；鐵路工程；測量；應用

前言

近年來，隨著我國經濟建設的飛速發展，高速鐵路的建設更加發展迅猛，這就對鐵路工程測量提出了更高的要求。目前鐵路測量中雖已采用電子全站儀等先進儀器設備，但其方法受橫向通視和作業條件的限制，作業強度大，且效率低。以某鐵路HYZQ-6標（86km）路段為例，其周圍地勢起伏較大，穿越大范圍的密林、河流且需跨越多處鐵路線、公路線，使通視較為困難，其測量任務艱巨且工程量浩大。如果采用常規方法，耗時費力而且需要大量的財力，難以滿足鐵路施工建設的需要。近年來，GPS技術發展迅速，其作業方法靈活，工作效率高，誤差累積少，定位精度較高，在工程測量等領域迅速得到推廣應用。當前，GPS技術在鐵路控制測量、中線測設、開口線放樣、征地線放樣以及斷面復測等方面，更能顯示它的優越性。以下就GPS在鐵路HYZQ-6標（86km）的測量中的一些應用進行簡單的介紹。

1 測量原理

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統，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 GPS測量技術的優點

GPS技術在鐵路測量中的應用，是鐵路測量的一項革命性的技術革新，它將對傳統的作業理念予以更新。相對于常規的測量方法來講，GPS測量有以下優點：

2.1 測站之間無需通視。測站間相互通視一直是測量學的難題。GPS這一特點，使得選點更加靈活方便。但測站上空必須開闊，以使接收GPS衛星信號不受干擾。GPS靜態定位技術和動態定位技術相結合的方法可以高效、高精度地完成鐵路平面控制測量。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機基線解精度為5mm 1ppm，而紅外儀標稱精度為5mm 5ppm，GPS測量精度與紅外儀相當，但隨著距離的增長，GPS測量優越性愈加突出。大量實驗證明，在小于50公里的基線上，其相對定位精度可達12×10-6，而在100～500公里的基線上可達10-6～10-7。

2.3 觀測時間短。采用GPS布設控制網時每個測站上的觀測時間一般在30～40min左右，采用快速靜態定位方法，觀測時間更短。例如使用Timble4800GPS接收機的RTK法可在5s以內求得測點坐標。

2.4 提供三維坐標。GPS測量在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測定觀測站的大地高程。

2.5 操作簡便。GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線對中、整平，量取天線高打開電源即可進行自動觀測，利用數據處理軟件對數據進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。

2.6 全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。

3 GPS系統在實際測量工作中的應用

3.1 使用動態定位模式測量。實時動態（RTK）定位技術是以載波相位觀測值為根據的實時差分GPS（RTDGPS）技術，它是GPS測量技術發展的一個新突破，在鐵路工程中有廣闊的應用前景。實時動態定位（RTK）系統由基準站和流動站組成，建立無線數據通訊是實時動態測量的保證。其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛星進行連續觀測，流動站上的接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據，隨機計算根據相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。這樣用戶就可以實時監測待測點的數據觀測質量和基線解算結果的收斂情況，根據待測點的精度指標，確定觀測時間，從而減少冗余觀測，提高工作效率。實時動態（RTK）定位有快速靜態定位和動態定位兩種測量模式，動態定位測量前需要在一控制點上靜止觀測數分鐘（有的儀器只需2～10s）進行初始化工作，之后流動站就可以按預定的采樣間隔自動進行觀測，并連同基準站的同步觀測數據，實時確定采樣點的空間位置。目前，其定位精度可以達到厘米級。

其野外作業流程：

（1）設置參考站：在已知控制點上架設好GPS接收機和天線，打開接收機，將PC卡上室內設置的參數（坐標系統）讀入GPS接收機，建立（或選擇）配置集，輸入參考站點的準確的北京54坐標和天線高，參考站GPS接收機通過轉換參數將北京54坐標轉換為WGS-84坐標，同時連續接收所有可視GPS衛星信號，并通過數據發射電臺將其測站坐標、觀測值、衛星跟蹤狀態及接收機工作狀態發送出去，待電臺指示燈顯示發出通訊信號后流動站即可開展工作。

（2）流動站工作：打開接收機，新建（或打開）工作項目，建立（或選擇）配置集（要求與參考站相匹配）。流動站接收機在跟蹤GPS衛星信號的同時也接收來自參考站的數據，進行處理獲得流動站的三維WGS-84坐標，最后再通過與參考站相同的坐標轉換參數將WGS-84坐標轉換為北京54坐標，并實時顯示在流動站的TR500終端上。接收機可將實時位置與設計值相比較，指導放樣到正確位置（測前在室內采用配套軟件將電子表格中的設計坐標數據進行格式編輯處理形成GPS接收機可讀的文件后發送到機內的PC卡）。動態定位模式在鐵路測量中有著廣闊的應用前景，可以完成地形圖測繪、中樁測量、橫斷面測量、縱斷面地面線測量、征地線開口線放樣等工作。測量2～4S，精度就可以達到1～3cm，且整個測量過程不需通視，有著常規測量儀器（如全站儀）不可比擬的優點。在鐵路HYZQ-6標段，基本采用RTK動態定位模式復測了全標段的中線和斷面，以及部分地形圖的測繪和征地線開口線的放樣工作，具有節省人力、作業效率高的特點，其每個采集點只需要停留2～4s，流動站小組作業，每小組（3～4人）每天可完成中線測量5km左右。若用其進行地形測量，每小組每天可以完成0.8～1.5km3的地形圖測繪，其精度和效率是常規測量所無法比擬的。

[1]路伯祥.GPS在鐵路測量中應用的討論.鐵道工程學報，1995-09-30期刊.

[2]丁海鵬，楊云鴻，李如仁.GPS測量在鐵路施工控制網中的應用.中國煤炭地質，2010-02-25期刊.

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