基于千尋定位的鐵路定測GNSS RTK中線測量數據分析

梁 旺

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

在鐵路項目建設過程中,若中線測量成果精度較差,會導致鐵路項目線路平縱斷面設計失真,整體建設質量嚴重下降。因此,采用先進測繪技術應用于鐵路勘測設計工作很有必要。

GNSS RTK測量過程中,各個測點之間處于獨立分離狀態,不能形成可供檢核的有效幾何圖形,導致無法驗證測量點位坐標的準確性和可靠性。千尋定位系統則是利用遍布全國各地的基準站建立一個基準站網,采用網絡RTK獲取差分數據,使測量成果具有較高可靠性。已有學者開展相關研究,劉東軍對千尋位置服務和CORS系統獲得測點平面坐標和高程進行比較,分析千尋位置服務和CORS系統服務之間的系統差值,認為千尋位置獲取數據具有與省級CORS系統相同平面坐標和高程精度,滿足大地測量、國土測繪的精度要求[1]。

在行業測繪方面,許冬等為千尋位置服務在電力勘測設計測量中提供應用案例[2];吳勝平等利用千尋位置提供厘米級精度的定位服務,對管道走向及管線的特征點進行準確定位,并通過千尋位置形成的數據庫對燃氣管道作風險評估[3];江木春等論述比對RTK測量、CORS系統測量和千尋位置的定位導航技術,認為千尋知寸測量方法能滿足大范圍、長距離和跨省區航道測量要求[4]。目前,千尋定位GNSS RTK測量技術在各自專業測量領域已有應用,并取得一定的工程實踐成果,但在鐵路領域的應用還相對較少。

以下基于千尋定位采用GNSS RTK技術進行鐵路定測階段的中線測量工作[5],對其獲取數據與傳統GNSS RTK獲取數據進行比對分析,并對此技術在鐵路勘測設計方面的應用進行充分整合,深入探討基于千尋定位的GNSS RTK技術在鐵路勘測階段應用的可行性。

2 GNSS RTK和千尋定位技術

2.1 GNSS RTK測量技術

GPS的實時動態定位技術簡稱GNSS RTK或RTK。RTK定位技術是一種基于載波相位觀測值的實時動態定位技術,能實時提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果,并達到厘米級精度。在RTK作業模式下,參考站通過數據鏈(電臺、手機)將其觀測值和測站坐標信息傳送給流動站;流動站不僅通過數據鏈接收來自參考站的數據,還要采集GNSS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值,再給出流動站的三維定位結果。

2.2 千尋定位技術

千尋位置是基于北斗衛星系統全球定位系統(BDS)、全球定位系統(GPS)、全球衛星導航系統(GLONASS)和伽利略衛星導航系統(GALLILEO)衛星導航系統的基本位置數據,以“互聯網+位置”概念為基礎,采用2200個以上的地面基礎增強站和自主網絡技術開發的側位算法進行大數據計算。千尋定位采用網絡運營模式,整合流媒體和流媒體產業,促進固定場景應用,實現部門、地區及用戶之間的資源調整和數據共享,可滿足產業及大眾市場的準確位置服務需求。

目前,在鐵路定測階段中線測量等工作中,采用GNSS RTK測量方式較多,但耗時耗力。基于千尋定位的GNSS RTK技術具有使用便捷、精度高等優點,若在鐵路定測階段針對性的使用,可在一定程度上解決以往單基站模式測量效率較低、測量時間長、測量成本高等問題,提高鐵路勘測數據的準確性和可靠性。

3 實驗設計

鐵路勘測過程中,由于各階段的測量內容不同,所使用的儀器設備和測量方法也各不相同,以下主要研究基于千尋位置的高精度RTK能否滿足鐵路定測階段中線測量的相關要求。

目前,定測階段鐵路中線測量多采用單基站RTK模式,即單個基站RTK系統使用單個基站接收來自GNSS獲得的原始數據并進行初步計算,然后采用專業算法進行分析和處理,以標準RINEX數據格式為參考,對星歷和GPS接收機的原始觀測數據進行歸檔記錄。之后,通過無線傳輸技術,將原始觀測數據文件上傳到指定服務器上,供該系統內的用戶進行數據下載,差分數據統一由管制和控制中心進行分發。流動站用戶需要高精度定位時,通過GSM或者GPRS手機直接撥號到控制中心,獲取差分數據,同時可計算實時獲得流動站的平面和高程數據。

單基站GNSS RTK測量系統的整體設備包括GNSS基站、數據服務器、網絡通信模塊和流動站。

實驗模擬鐵路定測階段場景,在有定測平面高程控制網條件下,以千尋定位和單基站2種方式分別測量已知中線測點的坐標和高程,并與原有中線測點平面坐標和高程成果進行比對分析,以驗證是否滿足《鐵路工程測量規范》中線測量的要求(中樁樁位限差縱向0.1m;橫向0.1m。中樁高程,兩次測量成果的差值≤0.1m)。

4 數據分析

4.1 數據獲取

某鐵路定測期間,隨機選擇3處地段,分別按常規單基站作業模式和千尋定位模式進行測點采集。

常規單基站作業模式:先利用定測精測網CPⅠ和線路水準基點,按10km左右分段求解測區轉換參數并劃分測區,輸入GNSS接收機手簿,現場進行CPI點的外業復核后,再進行中線測點采集。

千尋定位模式:中線測點采集作業與常規單基站作業模式相同。不同點在于,單基站模式需要人員2人, GNSS接收機2臺。其中GNSS基站1臺(含電臺)、流動站1臺;千尋定位模式完成相同外業任務,僅需人員1人,流動站1臺,不需GNSS基站,僅依靠千尋賬號接收網絡信號即可。

利用千尋定位和單基站模式分別采集中線測點共計240個,其平面坐標較差和高程較差見表1。

表1 千尋定位與單基站模式測量成果比較 m

經統計,240個測點的坐標較差中誤差為0.026m,最大值為0.103m,較差小于0.1m的占比為99.58%;高程較差中誤差為0.030m,最大值為0.136m,較差小于0.1m的占比為98.23%。數據統計見圖1。

圖1 千尋定位與單基站模式較差統計

4.2 精度評定

以單基站測量數據為真值,以對應點位千尋位置測量結果為分析值,分別計算各點位平面較差中誤差(北坐標較差、東坐標較差、坐標較差)和高程較差中誤差,對基于千尋位置服務高精度RTK測量結果進行點位精度分析,有

式中,mx為平面坐標北方向坐標分量中誤差;my為平面坐標東方向坐標分量中誤差;n為測區范圍內的檢核點數量。

基于千尋位置服務高精度RTK測量結果的平面中誤差,可根據x、y方向的中誤差進行計算,有

經統計,千尋定位與單基站模式較差見表2。

表2 千尋定位與單基站模式較差統計 m

4.3 數據分析

經分析,測量結果有以下特征。

(1)實驗數據滿足正態分布規律。

(2)坐標較差、高程較差中誤差均小于0.050m。坐標較差、高程較差小于2倍中誤差(即0.010m的測點數量占比分別為99.58%、98.33%),置信水平較高。個別較大誤差均為不可重復測量的中線測點,可視為測量粗差。

(3)定測實驗坐標較差、高程較差中誤差較小,是因為定測階段采用較為密集的CPI和線路水準基點做為首級測量控制,測區進行分段和更為嚴格的約束所致。

(4)數據誤差分析表明,采用基于千尋定位的GNSS RTK進行鐵路定測階段中線測量,可以達到單基站GNSS RTK測量的精度指標,即中樁樁位限差縱向0.1m、橫向0.1m;中樁高程兩次測量成果的差值不大于0.1m。

5 結論

(1)對鐵路定測階段的千尋定位中線測量方法進行研究,將基于千尋位置服務高精度RTK的中線測量成果與單基站中線測量成果進行對比。研究表明:基于千尋位置服務高精度RTK測量成果精度較高,在相同轉換參數條件下,單基站RTK測量的坐標較差、高程較差中誤差均優于0.05m,表明基于千尋定位的GNSS RTK的中線測量成果可滿足《鐵路工程測量規范》要求,可以做為現有單基站RTK測量中線作業的替代方式。

(2)千尋定位覆蓋范圍較廣,能夠實現全國大多數地區的基礎測量工作,具有極大的便利性,可廣泛應用于較長距離的鐵路勘測工作,尤其是為跨省區的鐵路勘測提供較好的解決方案。