GPS在高速鐵路加密控制測(cè)量中的應(yīng)用

張國(guó)偉 楊學(xué)峰

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院,山東 濟(jì)南 250013)

GPS在高速鐵路加密控制測(cè)量中的應(yīng)用

張國(guó)偉 楊學(xué)峰

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院,山東 濟(jì)南 250013)

以哈大鐵路客運(yùn)專線雙城段項(xiàng)目為例，介紹了GPS系統(tǒng)在高速鐵路控制點(diǎn)加密測(cè)量中的應(yīng)用，并對(duì)成果數(shù)據(jù)作了簡(jiǎn)要分析，探討其可行性，可為類似工程提供參考。

GPS，高速鐵路，加密控制測(cè)量

0 引言

GPS全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)是20世紀(jì)后期由美國(guó)國(guó)防部建立的一套高精度衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，它的出現(xiàn)是測(cè)量技術(shù)的一次革命，其操作起來不僅方便而且精度很高，目前該系統(tǒng)已廣泛用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量以及地形測(cè)量等各個(gè)方面，以下將以哈大鐵路客運(yùn)專線雙城段項(xiàng)目為例，介紹GPS系統(tǒng)在高速鐵路控制點(diǎn)加密測(cè)量中的具體措施，并對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

哈大鐵路客運(yùn)專線雙城段的起訖里程為DK842+803.15～DK883+226.24，全長(zhǎng)約40 km，跨越吉林和黑龍江兩省，沿線有拉林河(吉林和黑龍江兩省分界線)、多條高壓走廊以及公路，由于是夏天進(jìn)場(chǎng)，沿線有大量的玉米地、稻田、果園以及農(nóng)田防護(hù)林，地形、地貌極其復(fù)雜。由于原設(shè)計(jì)院布設(shè)的控制點(diǎn)(CPⅠ,CPⅡ)距離較遠(yuǎn)，且由于上面提到的實(shí)際地形、地貌原因，相鄰點(diǎn)與點(diǎn)之間無法通視，不能滿足具體施工放樣工作的需要，所以需在既有CPⅠ，CPⅡ控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加密布設(shè)，如果采用傳統(tǒng)的全站儀測(cè)導(dǎo)線的方法對(duì)施工控制網(wǎng)進(jìn)行加密，測(cè)量工作將變得異常艱難，所以根據(jù)現(xiàn)有條件考慮用GPS進(jìn)行施工控制網(wǎng)加密測(cè)量。

本項(xiàng)目全線共布設(shè)了113個(gè)加密控制點(diǎn)，具體施測(cè)時(shí)聯(lián)測(cè)沿線的11個(gè)CPⅠ，26個(gè)CPⅡ已知控制點(diǎn)。

2 具體實(shí)施情況

2.1 儀器選用

本次加密測(cè)設(shè)采用了標(biāo)稱精度為3 mm+1 ppm的3臺(tái)(項(xiàng)目部前期僅采購(gòu)了3臺(tái))大地測(cè)量型雙頻GPS接收機(jī)，均為拓?fù)淇礖iper PLUS接收機(jī)，安置天線采用三角架和對(duì)中精度小于1 mm的光學(xué)對(duì)中器。作業(yè)前對(duì)GPS接收機(jī)和光學(xué)對(duì)中器進(jìn)行了檢驗(yàn)校正，全部?jī)x器檢驗(yàn)合格。

2.2 選點(diǎn)要求和網(wǎng)型設(shè)計(jì)

1)選點(diǎn)要求。a.點(diǎn)位應(yīng)選在視野開闊、交通方便、有利擴(kuò)展、易于保存的地方；b.點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、微波站等)，其距離不得小于200 m，并應(yīng)遠(yuǎn)離高壓輸電線其距離不得小于50 m，以避免周圍磁場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的干擾；c.點(diǎn)位附近不應(yīng)有對(duì)電磁波反射(或吸收)強(qiáng)烈的物體，以減少多路徑效應(yīng)的影響；d.點(diǎn)周圍高度角15°以上不要有障礙物,以免信號(hào)被遮擋或吸收。

2)網(wǎng)型設(shè)計(jì)。考慮到已有設(shè)備和施工控制網(wǎng)的精度要求以及線路特點(diǎn)，本項(xiàng)目擬采用邊連式的帶狀網(wǎng)型(如圖1所示，其為整個(gè)網(wǎng)的其中一部分)，其優(yōu)點(diǎn)為有較多的非同步圖形閉合條件，以及大量的重復(fù)基線邊，因此其幾何強(qiáng)度較高，具有良好的自檢能力，能夠有效發(fā)現(xiàn)測(cè)量中的粗差，具有較高的可靠性。施測(cè)時(shí)為了增加檢核能力，聯(lián)測(cè)的11個(gè)CPⅠ，26個(gè)CPⅡ已知控制點(diǎn)，根據(jù)路線長(zhǎng)度均勻的抽出19個(gè)CPⅡ，3個(gè)CPⅠ點(diǎn)作為檢核測(cè)試點(diǎn)，解算時(shí)當(dāng)作未知點(diǎn)處理，解算出的坐標(biāo)成果與已知成果進(jìn)行對(duì)比。

2.3 觀測(cè)技術(shù)要求

觀測(cè)前，進(jìn)行星歷預(yù)報(bào)，精心進(jìn)行時(shí)段設(shè)計(jì)，避開少于4顆衛(wèi)星的時(shí)間窗口，選擇最佳時(shí)段，按 GPS C級(jí)網(wǎng)的技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)設(shè)，測(cè)量的具體觀測(cè)技術(shù)要求為：采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位模式進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度為:≥60 min；衛(wèi)星高度角：≥15°；有效衛(wèi)星總數(shù)：≥4顆；時(shí)段中任一衛(wèi)星有效觀測(cè)時(shí)間：≥20 min；觀測(cè)時(shí)段數(shù)：1；數(shù)據(jù)采樣間隔：15 s；PDOP或GDOP：≤8。觀測(cè)前，統(tǒng)一在GPS接收機(jī)上配置參數(shù)，使參與作業(yè)的3臺(tái)GPS接收機(jī)配置的參數(shù)相同。作業(yè)時(shí)天線嚴(yán)格置平對(duì)中，對(duì)中誤差小于1 mm；每個(gè)時(shí)段觀測(cè)前、后各量天線高一次，兩次較差值小于2 mm，取均值作為最后結(jié)果。接收機(jī)開始記錄數(shù)據(jù)后，及時(shí)將測(cè)站名、天線高等信息記錄在GPS觀測(cè)記錄表格里。在測(cè)量過程中，作業(yè)員使用接收機(jī)的信號(hào)指示燈查看接收機(jī)衛(wèi)星數(shù)、電池余量等，作必要記錄，并注意及時(shí)處理各種特殊情況。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 基線數(shù)據(jù)處理

基線處理采用廣播星歷，計(jì)算機(jī)軟件為TOPCON公司的商用軟件Pinnacle。基線解算時(shí)進(jìn)行控制點(diǎn)兼容性、控制網(wǎng)網(wǎng)形測(cè)試、重復(fù)基線、同步環(huán)和異步環(huán)閉合差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如下：

同步環(huán)閉合差滿足：

由若干條獨(dú)立邊組成的閉合環(huán)，其閉合差均滿足：

重復(fù)觀測(cè)的基線長(zhǎng)度較差均滿足：

其中，σ為相應(yīng)等級(jí)規(guī)定的精度，按環(huán)平均邊長(zhǎng)或基線邊長(zhǎng)由下式計(jì)算：

其中，a為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的固定誤差；b為GPS接收機(jī)標(biāo)稱精度中的比例誤差系數(shù)；d為GPS網(wǎng)中相鄰點(diǎn)間的距離；n為閉合環(huán)邊數(shù)。

其具體的測(cè)量的精度指標(biāo)滿足表1的要求。

表1 GPS測(cè)量的精度指標(biāo)

基線處理成果均滿足上述質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，符合《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測(cè)量技術(shù)暫行規(guī)定》，可以參與后續(xù)網(wǎng)平差計(jì)算。

3.2 網(wǎng)平差

先進(jìn)行無約束自由網(wǎng)平差，然后利用已知的7個(gè)CPⅡ點(diǎn)、8個(gè)CPⅠ點(diǎn)進(jìn)行固定點(diǎn)約束平差(均勻的分布在整個(gè)控制網(wǎng)中)。網(wǎng)平差軟件采用TOPCON公司的商用軟件Pinnacle，對(duì)網(wǎng)平差進(jìn)行了如下檢查：

1)平差后基線殘差圖：殘差分布合理，不存在異常觀測(cè)值。

2)點(diǎn)位中誤差和誤差橢圓：誤差橢圓大小均勻，點(diǎn)位中誤差均滿足表2的規(guī)范要求。

表2 控制點(diǎn)的定位精度要求 mm

3)所有方位角中誤差和邊長(zhǎng)相對(duì)精度滿足表3的規(guī)范要求。

表3 平面控制網(wǎng)加密測(cè)設(shè)精度要求

考慮到本測(cè)段跨越兩個(gè)不同的投影帶，所以加密平面控制網(wǎng)約束平差應(yīng)分段進(jìn)行，即采用鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院的分帶投影差數(shù)分兩段進(jìn)行。

對(duì)各段網(wǎng)平差報(bào)告統(tǒng)計(jì)后得到最弱點(diǎn)為CPⅡ384-4，X中誤差為3.2 mm,Y中誤差為2.8 mm,點(diǎn)位中誤差為4.3 mm。最弱邊如表4所示。

表4 最弱邊數(shù)據(jù)表

對(duì)于抽出的19個(gè)CPⅡ，3個(gè)CPⅠ檢核點(diǎn)，與已知成果相比較ΔX最大值為6 mm、最小值為0 mm，ΔY最大值為5 mm、最小值為1 mm。

通過以上可以看出加密平面控制網(wǎng)平差結(jié)果均滿足相應(yīng)等級(jí)控制網(wǎng)精度要求，符合《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定》的規(guī)定，因此此次加密平面控制網(wǎng)成果是真實(shí)可靠的。

4 結(jié)語

在高速鐵路建設(shè)中，像上述工程所遇到的情況肯定是很普遍的，傳統(tǒng)的測(cè)量方法很難得以實(shí)施，但是采用先進(jìn)的GPS測(cè)量技術(shù)，問題便迎刃而解。

[1] 徐紹銓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定[Z].2006.

[3] 趙吉先.精密工程測(cè)量[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

[4] 林亞斌，王春范，劉繼巍.關(guān)于增強(qiáng)GPS精密定位的研究與探討[J].山西建筑，2012，38(14)：235-236.

[5] 張正祿.工程測(cè)量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2002.

[6] 郭際明,孔祥元.控制測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2008.

The application of GPS in the control survey in high-speed railway

ZHANG Guo-wei YANG Xue-feng

(JinanAcademyofSurvey&Mapping,Jinan250013,China)

Taking the project in Shuangcheng section of Harbin-Dalian railway as an example, introduces the application of GPS in the control survey in high-speed railway, and a brief analysis of the data, discuss its feasibility, so as to provide the reference for similar projects.

GPS, high-speed railway, control survey

1009-6825(2014)07-0217-02

2013-12-21

張國(guó)偉(1984- ),男,助理工程師,國(guó)家注冊(cè)測(cè)繪師; 楊學(xué)峰(1977- )，男，工程師,國(guó)家注冊(cè)測(cè)繪師

TU198

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