千尋位置在鐵路勘測中的應用研究

楊李龍 徐永明

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

在鐵路勘察設計中，測繪是十分重要的基礎工作，也是貫穿鐵路運營全生命周期的長期工作。新興測繪技術的應用，將進一步提高鐵路勘測設計一體化服務水平[1-2]。因此，研究和分析千尋位置服務應用于鐵路勘測過程的可行性、優勢及特點，實現將千尋位置服務應用于鐵路勘測及運營監測過程，具有十分重要的意義。

當前，鐵路常規勘測技術主要有單基站RTK、區域CORS-RTK、無人機航測以及傳統的地面數字測圖技術等。其中，單基站RTK存在作業精度隨距離的增加而衰減、需要架設基準站以及作用距離有限等不足[3]；區域CORS-RTK技術在一定程度上彌補了單基站RTK技術的不足，但是對于鐵路勘測這類長大線路的精準測控同樣存在作業距離有限的問題，且區域CORS網絡多為各省市建立，申請使用的手續復雜，在網絡邊界處容易出現精度降低等現象[4]；無人機航測具有靈活方便、成本低等優點，但其受氣象條件影響較大，難以滿足全天候作業要求，且在地面遮擋嚴重地區難以獲取準確的高程數據[5]；以全站儀等為主的地面數字測圖技術存在作業效率低下、測量精度影響因素較多等不足[6]。千尋位置服務在全國布設有大量的基準站，并通過BDS地基增強系統提高其定位性能。基于這一平臺，能夠實現為眾多行業和不同的場景提供高精度的定位服務[7]。千尋位置應用于鐵路勘測的潛在優勢在于省去了建立基準站的環節，能夠實現高精度的大范圍測量，并有望省去控制網的建網工作[8]，可很大程度上節省人力、物力、財力。

千尋位置是近年來新興的一種測量應用方法，其基于先進的融合定位算法并充分發揮全國大量基準站的海量觀測數據優勢[9]，可通過互聯網向用戶提供全天候差分信息[10]。目前，千尋位置已在水利、農業、礦山、物聯網及無人車等行業開展了大量應用研究[11-14]，并取得了良好的應用效果，但是尚無應用于鐵路勘測中的相關研究。

1 千尋位置網絡CORS及其原理

1.1 網絡CORS組成及原理

連續運行參考站系統(CORS)是以一個或多個持續工作且位置固定的GNSS基準參考站、計算機、因特網以及數據通訊服務組成的網絡[15]。網絡CORS可以為用戶提供可靠的即時服務，具有高度信息化、數據高可靠性、支持高并發、服務高度自動化和智能化等特點[16]。

網絡CORS主要包括參考站、數據計算中心、用戶終端、通信鏈路等四部分[17]。參考站主要為衛星接收機以及天線等，用于提供觀測數據。計算中心提供計算改正信息以及數據播發[18]。網絡CORS屬于多基站CORS，通過多個參考站提供的觀測數據，再經過計算中心提供區域改正信息并播發，用戶可以免除架設參考站的環節，直接接入網絡進行RTK測量。千尋網絡CORS是多基站CORS系統，通常采用虛擬參考站技術(Virtual Reference Station，VRS)，主要原理如圖1所示。

圖1 CORS系統工作原理

CORS服務的關鍵在于提供準確可靠的改正信息，這需要眾多固定參考站的連續長期觀測，經過優選和加權處理，為用戶區域提供后處理星歷以及準確的改正信息，用戶基于播發的改正信息進行差分定位，獲得高精度定位結果。“千尋知寸”是千尋位置提供的動態條件下的厘米級網絡CORS服務，其定位原理及流程可概括為：用戶向千尋網絡反饋其概略坐標，千尋位置服務通過因特網為授權用戶提供目標區域的高精度差分數據，在用戶接收機固件中完成差分解算并最終得到穩定的高精度定位結果。

1.2 基于地基增強系統的格網VRS基本理論

地基增強系統(GBAS)是重要的衛星導航定位基礎設施，可以大幅度增強GNSS導航的定位性能，為廣域和海量用戶提供高實時、高精度的定位服務[19]，GBAS主要由計算中心、基準站網絡、用戶終端及通信模塊四大部分組成[20]。各部分協調配合，其中基準站網絡負責長期連續觀測，提供衛星觀測數據等信息；計算中心負責改正數據的計算以及播發等任務。地基增強系統的組成示意見圖2。

圖2 地基增強系統組成

格網VRS是對傳統VRS服務的改進。在計算中心，將眾多參考站網絡按照地理范圍進行網格分配，把各網格點作為虛擬參考站并按照一定的規則進行格網點編號，基于參考站的實時觀測數據和準確坐標，生成各個網格點虛擬參考站的虛擬觀測數據。根據概略坐標判斷用戶所在格網，為其提供差分觀測數據，從而完成實時高精度定位。格網VRS技術的優勢在于計算中心和用戶終端之間為單向通訊連接，用戶終端無需向計算中心發送數據，從而減小了通訊線路的負荷。

2 應用驗證

基于“千尋知寸”網絡CORS服務，提出在已經建立高程和平面勘測控制網的作業范圍內，利用“千尋知寸”開展鐵路勘測的應用思路。通過控制點的當地坐標和千尋位置采集的大地坐標建立點校正，直接實現坐標轉換，進而開展勘察測量工作。基于上述思路，在某鐵路勘測項目中開展了應用研究及精度驗證。該項目的控制點網形見圖3。

圖3 項目控制點分布情況

采用本節所述應用思路，以“千尋知寸”服務采集的GPS8201大地坐標作為無約束平差起算點，得到其余各控制點的大地坐標，在儀器手簿中進行點校正計算，完成坐標轉換參數的求取。

基于“千尋知寸”的方法，采集到項目首級網各控制點的坐標，與既有控制點坐標值進行對比并求差，見圖4。

圖4 既有控制網成果與測量值三維差值

由圖4可以看出，GPS8206～GPS8212測得的坐標值與既有成果差別較大，平面坐標分量差值最大為39 mm，高程最大差值為98 mm，且呈現一定的趨勢性。

由圖3可知，該線路呈狹長狀，隨點號的增加，其與GPS8201的距離越長。分析其原因，是無約束平差計算時采用線路一端的點作為起算點，由于靜態基線測量誤差的影響，離起算點越遠的控制點誤差越大。其中，高程分量的趨勢性最為明顯。

為了驗證上述現象是由基線測量誤差所引起，在平差計算時采用GPS8201(位于線路一端)當地坐標作為起算點，將計算得到的坐標與既有坐標成果進行對比，得到基線傳遞造成的理論差值；再以“千尋知寸”采集到的GPS8201坐標作為起算數據，得到各控制點的坐標。兩種方法所得三維差值結果如表1所示，并做“千尋知寸”方法所得差值與理論差值的一次差，結果見圖5。

由表1和圖5可以看出，平面存在平均17.17 mm的固定誤差，高程存在平均32.92 mm的固定誤差，產生這一現象是因為起算點GPS8201的大地坐標數據由千尋知寸RTK外業采集獲取，這一過程存在測量誤差。剔除這一固定誤差后，基線誤差傳遞引起的理論差值與測量值基本吻合，驗證了離起算點越遠的點偏差越大是由于基線測量誤差所引起。

表1 基線誤差傳遞引起的理論差值與測量值對比 mm

圖5 實測值所得差值與理論差值的一次差

3 結束語

系統研究總結了千尋網絡CORS及其基本原理，以及基于地基增強系統的格網VRS基本理論，并提出將千尋位置服務應用于已有勘測控制網區域鐵路勘測的具體思路。結合某鐵路勘測項目，開展了其應用研究及精度驗證，所得結論如下。

(1)“千尋知寸”服務應用于鐵路勘測，能夠提供厘米級的定位精度，滿足常規鐵路勘測需求。

(2)其測量精度受既有基線測量誤差的影響，高程方向尤為明顯，離起算點越遠誤差越大。因此，在使用過程中應合理選擇起算點。

(3)由于“千尋知寸”RTK測量的誤差影響，直接用測量結果作為起算點推算各控制點坐標會造成平面約2 cm、高程方向約3 cm的誤差。