復雜艱險山區鐵路北斗高精度服務平臺的構建

武瑞宏,許雙安,王建紅,許超鈐,劉 晨

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.武漢大學測繪學院,武漢 430079)

引言

某復雜艱險山區鐵路位于青藏高原東南緣，地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近，橫貫三江褶皺及數個一級邊界斷裂，是新構造運動最為活躍的區域之一，具有地殼急劇抬升、板塊強烈擠壓、強震頻發的復雜地質環境[7-9]。這樣惡劣多變的外部環境，導致鐵路精密測量控制網的空間基準處于持續動態變化中，而傳統的定期復測無法及時感知控制點的動態變化。鐵路建設工期長，沿線平面、高程控制基準不穩定，將嚴重影響工程建設的順利實施。因此，如何在復雜艱險山區鐵路的全生命周期(勘察設計、施工建造及運營維護)內提供穩定可靠的時空基準是該鐵路工程測量首要解決的關鍵問題。

部署CORS(Continuously Operating Reference Stations，連續運行參考站)服務平臺[10-12]是解決上述問題的可靠手段。CORS綜合服務平臺是現代測繪基準體系的關鍵組成部分[13]，該平臺利用穩定運行的CORS基準站，將GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統)觀測數據實時傳輸至數據處理中心，而后解算軟件實時求解，并向用戶播發改正數和位置信息，提供便捷的NRTK服務。CORS平臺可動態獲悉基準站發生的位移，實現基準的自我校準，其NRTK(Network Real-time Kinematic，網絡實時動態測量)服務也可顯著簡化定位作業的難度。由此可見，CORS平臺契合復雜艱險山區鐵路工程測量的需要。

為了實現該復雜艱險山區鐵路高精度動態基準維持的需要，中鐵一院依托中國鐵建股份有限公司科技重大專項課題，在復雜艱險山區鐵路部署完成了基于7座連續運行基準站的北斗高精度服務平臺[14](以下簡稱“北斗平臺”)。該平臺是國內首個落成于高海拔、大高差環境下的北斗NRTK服務系統，可動態維護框架基準，從根本上解決了空間框架的時變問題。

1 北斗平臺的建設

如圖1所示，北斗平臺的作業模式如下。首先，CORS基站數據實時傳輸至解算處理中心，進行實時數據處理并生成虛擬改正數；然后，服務管理中心根據用戶的概略坐標分配并播發相應的改正數；最后，用戶接收改正數后，即可進行快速準確的導航定位作業。可見，CORS基準站，解算處理中心和服務管理中心是北斗平臺的核心組成部分，本文將從上述三方面介紹北斗平臺的建設情況。

圖1 北斗平臺架構

1.1 基準站的建設

該復雜艱險山區鐵路位于青藏高原東南部，經長期的高原隆升演化，在內外地質動力作用下，造成了建站區復雜的地質條件，呈現出“三高兩強”的特點，即：高烈度地震、高地應力、高地溫及強烈發育多樣化地質災害、強烈發育活動斷裂[15]。該段鐵路以傍山隧道走行于帕隆藏布江岸邊，地勢急劇隆升抬起，河流快速強烈下切，谷底與山嶺相對高差一般在2～3 km，為典型的“V”形高山峽谷地貌，這給北斗基準站的選址造成了一定困難。

CORS基準站是北斗平臺的基礎設施[16]，需要確保一次建設，長期使用。另外，基準站位置應規避活動的斷裂帶，最大程度上減小活動斷層的影響；并且，要以定測穩定的線路方案為依據，沿線路走向按20～30 km間距選點，兼顧長大隧道、特大及特殊橋梁及重點控制性工程的精密控制測量的要求，并充分考慮隧道施工輔助通道位置及配套工程應用需求。按照上述原則，確定了7個基準站的初步位置(圖2)。另需注意的是：圖2所示的基準代號僅為示意，并非真實代號。在選址完成后，站點上進行了多品牌各型號的GNSS設備測試，確保衛星觀測數據質量、可用性等指標滿足建站要求。

圖2 基準站位置示意

測試完成后，7個基準站同步開工建設，并于2020年7月建設完成(圖3)。7個基準站采用市電+電池組+太陽能組合供電模式，以保證在斷電情況下，依靠UPS及電池組支持72 h以上穩定運行。由于受沿線通信基礎設施建設現狀制約，7個站點未能實現網絡SDH專線接入，網絡通訊暫時采用普通寬帶在公用網絡上建立虛擬專用網絡，利用VPN+ADSL接入方式，后期隨著通信基礎設施建設和鐵路建設推進，可升級為有線通信光纜或鐵路專用綜合信息通信網。

圖3 北斗基準站

1.2 解算處理中心的建設

如圖4所示，DreamNET[10]是解算處理中心(解算中心)的核心軟件，該軟件操作簡單，功能豐富，支持新建/刪除基站，基站參數管理，實時NRTK解算，基站狀態監控，和數據文件分發等功能。并且，本軟件還預留有二次開發接口，可與其他解算平臺無縫對接，滿足變形監測、數據融合、數據質量控制、坐標分析、平差等各種高級需求。另外，本系統還支持遠程遙控，管理人員可以遠程檢查臺站系統，確保維持高質量的數據服務。此外，本軟件支持單北斗解算模式，該模式在B1、B2的基礎上，還增加了對B3[17-19]的處理功能，實現了真正意義上的北斗三星多頻解算。

圖4 解算平臺主控界面

值得注意的是，由于受氣候和地形的影響，低空對流層狀態變化頻繁，為了削弱對流層的影響，本平臺采用了針對該區域構建的高精度對流層延遲模型[20]。該模型是由氣象站數據、ECMWF天氣數值預報產品、無線電探空資料以及NRTK提取的GNSS對流層延遲共同構建的。該模型的實現方式如下。

采用最小二乘法估計用戶的大氣誤差改正數，利用赫爾默特估計方法、二次無偏估計法等多種定權方法，建立不同來源的大氣誤差之間的協方差函數γi(h)，根據協方差函數計算觀測值方差矩陣Di和協方差矩陣Dij。

(1)

權陣為

(2)

因為GNSS基準站數據質量最高，以其估計的大氣誤差為基準，建立顧及系統差的融合觀測方程

(3)

式中，x為待求網格點的融合值；ai、bi為系統差參數；f為待求參數與觀測值的函數。將觀測方程線性化并移項得到誤差方程

(4)

寫成矩陣形式為

V=BX-l

(5)

根據最小二乘方法即可求解得到融合后的大氣誤差，同時可進行精度評定，并將其用于NRTK大氣誤差改正和精確位置計算。

1.3 服務管理中心建設

服務管理中心(服務中心)是連接解算中心和用戶的樞紐，通過向用戶端播發由解算服務器輸出的虛擬改正數，提供用戶端的高精度定位與導航服務。除了基礎功能外，服務中心還支持系統管理，用戶管理(圖5)，信息發送和站網信息管理等多種功能。另外，與解算中心類似，服務中心同樣支持二次開發，后期可根據復雜艱險山區鐵路運行維護的各種需求進行個性化升級。

圖5 服務平臺管理界面

2 測試與分析

2.1 觀測數據質量評估

本項目采集了7個基準站2020年10月11日的北斗和GPS觀測數據，采用TEQC軟件[21-22]進行了觀測數據質量分析。評價指標為：數據完整率、多路徑效應(MP1和MP2)、周跳比和信噪比(SN1和SN2)。部分測站上述指標的測試結果如表1所示。

表1 CORS站北斗觀測數據質量分析結果(部分)

根據《全球導航衛星系統連續運行基準站網技術規范》[23]對觀測數據質量的要求，數據完整率應>85%，MP1<0.5 m，MP2<0.65 m，SN1>4.5 dB，SN2>5.5 dB。另需說明的是，周跳比指標沒有明確的規定，根據實際情況，本項目規定該指標應大于1 000。根據統計結果可得，所有測試站點的參評數據(北斗和GPS)均滿足要求。

2.2 NRTK性能評估

依托鐵路精密測量控制網的成果，本研究分別采用單北斗和多GNSS系統組合兩種作業模式進行了NRTK定位性能測試。另需說明的是，本項目的所有坐標成果均在2000國家大地坐標系[24]下，其中，平面成果是以96°E為中央子午線進行高斯投影后的平面直角坐標，高程是相應的大地高。

為了測試北斗平臺NRTK的定位精度，本項目選取55個鐵路控制點，分別采用單北斗和多GNSS系統組合(GPS，BDS和GLONASS)的作業模式，進行定位精度測試。每個測試點采用上述兩種作業模式分別采集3組結果，利用這3組結果統計內符合精度，利用3組點位中誤差的平均值作為最終定位結果統計外符合精度。測試結果如表2、表3所示。

表2 單北斗和多GNSS組合作業模式下NRTK的內符合精度統計 mm

表3 單北斗和多GNSS組合作業模式下NRTK的外符合精度統計 mm

根據《衛星導航定位基準站網測試技術規范》[25]要求，NRTK定位的內符合精度需滿足平面≤3 cm，高程≤5 cm要求。從表2統計數據可得：從內符合精度上看，單北斗和多GNSS組合作業模式的平面位置精度均優于1 cm，高程位置精度優于2 cm，均遠高于規范要求。另據規范要求，NRTK定位的外符合精度需滿足：平面≤5 cm，高程≤10 cm。由表3可知，從外符合精度上看，單北斗和多GNSS組合作業模式的平面定位精度均優于2 cm，高程位置精度優于5 cm，同樣遠超規范要求。綜上，北斗平臺的NRTK定位性能優異，各項指標均滿足規范要求。值得注意的是，由于多GNSS組合模式可觀測衛星數更多，使多GNSS組合模式的內、外符合精度略好于單北斗模式。

3 結論

經過建設和部署，復雜艱險山區鐵路北斗高精度服務平臺已建設完成并投入試運行。北斗平臺架構合理，功能豐富，并且本研究還對北斗平臺進行了數據質量測試和實地NRTK性能評估，取得如下成果。

(1)所有測站的參評數據均滿足規范要求，足見各基準站設備可在高原區復雜、惡劣環境下穩定運行。

(2)多GNSS系統組合的作業模式下，NRTK的平面內符合精度優于1 cm，外符合精度優于2 cm，高程方向內符合精度優于2 cm，外符合精度優于5 cm，滿足精度要求。

(3)單北斗作業模式下，NRTK的平面內符合精度優于1 cm，外符合精度優于2 cm，高程方向內符合精度優于2 cm，外符合精度優于4 cm，滿足精度要求。

(4)值得注意的是，即使是周圍環境較差或者網絡信號不佳的測點，在單北斗或多GNSS組合作業模式下也能較快地得到高精度的固定解，初始化的時間約10 s。

綜上，北斗平臺運行穩定，精度可靠，滿足鐵路高精度導航定位的需求。北斗平臺將在今后長期連續運行，逐步取代常規的大地測量控制網，全天候地進行各種類型的北斗/GNSS定位、變形監測和放樣作業。未來，CORS站將擴大規模，解算和運維中心也將面對復雜艱險山區鐵路的實際需要繼續進行個性化升級。另外，基于北斗平臺提供的精確動態時空基準，可開展如形變監測和大氣監測等業務，進一步深化平臺的應用范圍。