基于GNSS的鐵路通信鐵塔變形監測方法研究

劉文浩 張 維

（上海司南衛星導航技術股份有限公司，上海 201800）

鐵路通信系統中的通信鐵塔長期暴露在露天環境下，其運轉的穩定性和效果會受到制約，進而影響鐵路系統運行工作的安全推進。因此，需要關注通信鐵塔的運行效率問題，做好日常監測和維護工作，利用全球導航衛星系統（GNSS）全面監測和科學維護通信鐵塔，避免不良現象發生。

1 鐵路通信與監測系統概述

1.1 鐵路通信與監測發展概況

隨著鐵路行業通信系統的應用普及化，在通信技術的支撐下，鐵路通信與監測工作發展迅猛，受制于發展不平衡的影響，仍然存在鐵路通信與監測工作效果較差的情況[1]。通信鐵塔的建設需要依靠拉線塔、角鋼塔和獨管塔等鋼塔桅結構，通信鐵塔技術已經在諸多鐵路系統和路線中應用，但技術始終在變動發展，工作人員需要科學合理地運用新技術和設備開展工作。

1.2 通信塔監測系統組成

通信鐵塔監測系統的構成要素具有明確規定，對其進行規范和約束，以此增強通信鐵塔監測系統架構的科學性和合理性。通信鐵塔監測系統包括信息數據采集部分、實時監測部分、控制中心和傳輸終端等。為實現對鐵塔上下各個部位、各種信息的掌握，采集裝置必須被安裝在塔身位置，需要確保各項參數配置的合理性。

GNSS自動化變形監測預警系統組成如圖1所示。系統工作流程如圖2所示。

圖1 GNSS自動化變形監測預警系統組成

圖2 系統工作流程

1.3 通信塔的含義、功能與特征

隨著通信技術不斷發展，其所在行業不斷轉型升級，通信技術轉型升級和應用過程中發生了巨大的輻射效應，對其他行業領域造成影響。鐵路行業中，鐵路控制系統是核心，做好系統控制有助于保障鐵路運輸工作的安全和效率[2]。在鐵路通信系統中應用鐵塔能夠實現信號微波的有效傳送，提高鐵路通信系統的穩定性和可靠性，避免信號干擾。設計科學合理的設計施工方案，可以有效減少周圍環境對鐵塔的影響，使信號傳輸變得更加順暢。在鐵塔上安裝避雷針，可以降低惡劣氣候條件對通信鐵塔信號傳輸的影響。

1.4 通信塔的選址與設計

（1）通信塔的選址。

通信鐵塔的變形問題與前期選址工作存在一定聯系，應關注選址問題，盡可能減輕通信鐵塔變形程度。工作人員需要依據鐵路系統路線的實際需要，確保通信鐵塔的數量合理，在此基礎上開展選址工作；選擇通信鐵塔的建設位置時，工作人員應遵循一定原則，即盡可能選擇環境良好的位置，避免周圍事物對通信鐵塔信號接收造成不良干擾；工作人員還需要關注通信鐵塔的具體場地問題，遠離高壓線，防止鐵塔倒塌。水文和地質情況也應該在通信鐵塔選址時考慮。

（2）通信塔的設計。

選址工作完成后，由工作人員開展規劃設計工作。科學合理的鐵塔設計能夠減少施工問題，提升工程質量和效益。與普通建筑物的基本結構不同，通信鐵塔的結構具有特殊性，具體表現為高度較高、橫截面較窄、基本結構柔性較強等。通信鐵塔長期處于露天環境下，缺乏相應防護措施會導致通信鐵塔面臨老化、氧化等問題[3]。鐵塔設計時，工作人員必須充分考慮后期的維護與保養等方面的工作內容，明確鐵塔安裝施工過程中涉及的范圍，確保安裝施工順利。

2 鐵路通信塔變形監測的必要性

鐵路通信鐵塔存在安全隱患，鐵路系統必須加強對通信鐵塔的狀況監測，改變傳統監測方式，優化原有制度安排，積極應用新技術，對通信鐵塔進行安全、高效的變形監測。通信技術能夠實現生產、生活的高效連接。通信鐵塔的應用范圍廣闊，對提升鐵路行業通信鐵塔的鐵路運營效益具有重要作用。通信鐵塔常受到外部自然環境和社會環境問題的影響，運轉具有較強的不穩定性。地質不穩定可能導致地殼運動，在一定限度上影響鐵塔運行。鐵路運營總里程較長，線路常深入偏遠地區，通信鐵塔可能面臨較惡劣的氣候條件，鐵塔的老化和氧化速度加快。

維護方案和安排不合理，定期巡檢的方式難以及時發現問題；巡檢方式效率不高，受制于多種要素，大部分區域的通信鐵塔觀測仍然依靠人工，效率低下且精準性不夠高；鐵路系統發展過程中，高速鐵路建設不斷推進，對通信鐵塔的數量要求提高，直接導致通信鐵塔出現問題，對高速鐵路運行產生極大安全危害。

3 在鐵路通信塔變形監測中GNSS的應用

3.1 GNSS的發展與常見系統

隨著科學技術不斷發展，全球導航衛星定位系統會持續發展，系統中的衛星系統具有較強的兼容性，能夠為用戶提供更高水平的服務。行業市場有限，全球導航衛星定位系統間面臨激烈競爭，會推動系統不斷實現自我革新和優化。全球導航衛星定位系統屬于空基無線電導航定位系統，測量地球表面和近地空間中的事物信息時不會受地點限制，能夠實現實時服務，對時間信息、位置信息和三維坐標等準確定位，其觀測量通常為衛星發射時間、星歷和衛星偽距、用戶鐘差。現階段，空基技術已經取代對地基定位，實現導航定位和大地測量工作的創新發展，被應用在經濟社會生活的各個方面，彰顯國家的經濟、科技和綜合實力。全球導航衛星系統包括美國GPS系統、歐盟GALILEO系統、俄羅斯GLONASS系統。成功發射北斗導航衛星后，北斗導航衛星定位系統并列成為四大系統之一。存在一些增強系統和區域系統。

3.2 鐵路通信塔中的GNSS應用

（1）用于監測通信系統的安全運行。

在現代社會，鐵路憑借運量大、成本低的優勢，占據運輸量的主要組成部分。鐵路運輸過程的需求更加多元，要求更多。使用GNSS技術可以彌補傳統鐵路運輸系統的不足。在鐵路運輸系統內部，通信系統的運行安全十分重要，工作人員應保證通信塔的安全性，防止其出現變形。除了提高設計施工水平，應做好變形監測工作，以便及時做出反應，減少問題出現。全球導航衛星系統的發展能夠豐富人們的選擇。為了提升系統的綜合效益，工作人員必須推廣導航系統的應用。定位、導航和定時是系統的基本功能，人們逐漸發現系統在鐵路系統中的應用效益，尤其是應用在鐵路通信與監測系統中的效益。應用系統可以有效改善通信塔的變形監測效果，確保鐵路系統安全、穩定、高效運轉。

（2）管理列車。

自動化技術和智能技術發展勢頭迅猛，各行業都在向自動化、智能化方向發展。為了能夠實現有序管理，鐵路部門制定了列車運行管理系統的規章制度，以便解決管理系統在技術、效率、精準性等方面的問題。鐵路系統的運轉依靠現代智能交通管理系統，可以實現對大量列車的運行管理，工作人員必須全面掌握列車運行數據，對于追蹤危險貨品、掌握乘客信息和了解調度情況等效果顯著。列車定位數據的掌握能夠保障鐵路運輸和乘客安全。

（3）用于獲取精準數據。

應用全球導航衛星定位系統能夠以最快速度實現鐵路控制系統對接，精準定位并將獲取到的信息數據借助傳統通信設備傳送至控制中心，為控制系統的運行提供數據支撐。GNSS應用過程中，應明確技術的定位性能，GNSS在航空領域的性能和在鐵路領域的不同，需要工作人員對鐵路系統展開研究，確定具體的方法。

GNSS屬于嵌入式無線系統，無法采用傳統安裝方式，應用過程中需要解決物理應答器可能出現的問題。工作人員可以使用虛擬應答器代替物理應答器。鐵路系統內部標準對安全性等級提出明確的要求，使用GNSS時應盡可能減少風險。

應用北斗導航衛星系統時，應用環境良好可以實現高精度監測，實現對五個以上衛星信號的穩定接收和安全接收。但北斗導航衛星系統容易受環境影響，信號接收出現問題會直接影響測量效果。將北斗導航衛星系統應用至鐵路通信鐵塔變形測量的過程中，面對復雜環境，工作人員可以采用差分技術建立定位模型，在一定限度上提升定位水平。工作人員應做好基站選址工作，確保環境穩定、可靠，實現對鐵塔變形的精準測量。

4 鐵路通信鐵塔變形監測方法

4.1 針對多對點的距離差值開展監測

針對多對點的距離差值開展監測時，使用有源射頻識別（FRID）方法。計算對象是FRID標簽發射的射頻信號間的相位差，對關鍵點坐標進行有效計算，在數據庫中尋找正常狀態下的坐標信息，對比分析可以得到通信鐵塔的變形情況。實施FRID方法時，需要在鐵路鐵塔沿線設置多個接收天線，可能導致信號面臨干擾，影響監測結果穩定性和準確性。

4.2 對傾角值監測

與射頻識別技術相比，對傾角值監測方法更直接，測量人員可以直接借助慣性導航器件、傾斜角測量器等儀器測量通信鐵塔變形角度。對傾角值監測方法便捷有效，但測量范圍受限，只能測量放置位置一到兩個坐標的角度變化數據。對傾角值監測方法對鐵塔變形的測量會持續一段時間，以確保精確性，但測量設備過于精密，不適合在野外長期使用。

4.3 對鐵塔三維坐標監測

三維坐標監測方法是全球導航衛星系統在通信鐵塔監測中的具體應用，要求工作人員在鐵塔內部放置1個GNSS信號接收設備，通過測量監測點變化情況得到鐵塔變形數據。三維坐標監測方法具有兩方面優勢，能夠對鐵塔傾斜角度進行精準測量；準確獲取通信鐵塔地理坐標，可以對地區的沉降情況進行合理監測。在鐵塔變形監測過程中應用GNSS時，還需應用實時動態載波相位差分（RTK）技術。變形監測時，應用GNSS技術可能出現誤差，為了提升監測精準性，需要采取針對性措施解決誤差，研究人員可以借助抗差估計抵抗測量中的誤差，應用卡爾曼濾波實現濾波平滑，減少偶然誤差，改善測量結果。

5 結語

北斗導航衛星定位系統的成功應用具有一定的意義，為了擴大其效益，必須提高系統的利用率，擴大系統的使用范圍。鐵路運輸行業屬于基礎行業，為了獲得更加全面的信息、精準的數據，提高服務能力和水平，鐵路系統管理者必須致力于將GNSS應用于鐵路系統，做好GNSS在通信塔變形測量中的應用，做好監測工作。