北斗導航衛星系統在高速鐵路精密控制測量中應用研究及精度分析

梁　永

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

Application and Accuracy Analysis of the Beidou Navigation Satellite System in High-speed Railway Precise Control Survey

LIANG Yong

北斗導航衛星系統在高速鐵路精密控制測量中應用研究及精度分析

梁永

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

Application and Accuracy Analysis of the Beidou Navigation Satellite System in High-speed Railway Precise Control Survey

LIANG Yong

摘要以京沈客運專線CPI級精密控制測量為例，對北斗衛星導航系統應用于鐵路精密控制測量進行試驗。在CPI控制網重復基線、異步環閉合差、坐標重復性、相鄰點坐標差之差、相對精度等方面，北斗系統與GPS對比分析結果表明：北斗靜態相對定位測量的平面精度可以滿足CPI的精度要求，與GPS定位精度相當，說明北斗導航系統應用于高鐵精密控制測量可行。

關鍵詞北斗導航系統高速鐵路控制測量精度分析

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigaition Satellite System，簡稱BDS)是我國繼美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO之后正在實施的全球衛星導航系統。截止2012年底，BDS在軌工作衛星有14顆，包括5顆GEO衛星、5顆IGSO衛星和4顆MEO衛星，構成5GEO+5IGSO+4MEO的星座結構。每顆北斗衛星都發射3個頻率的載波信號用于導航，每個載波信號均有正交調制的普通測距碼，以不同地址碼CDMA區分衛星，定位原理基本同GPS。BDS致力于滿足國家安全和經濟社會發展對衛星導航的需求，促進國家信息化建設和經濟發展方式轉變，實現衛星導航產業的社會效益和經濟效益。

目前我國在鐵路勘測領域主要利用GPS定位技術進行線路控制測量、中線放樣測量及其他測量工作。GPS受美國政策的影響，在一定程度上存在安全風險，如果在非常時期美國限制某些地區衛星導航定位使用，會導致終端GPS用戶無法正常使用該系統，從而會給鐵路勘測工作帶來不便。而BDS的自主性保證了在我國重大基礎設施工程中的國家和社會安全，可擺脫長期以來只應用GPS定位測量的局面。目前，完全應用BDS進行高鐵精密控制測量項目還沒有開展。因此，重點對BDS進行鐵路精密控制測量進行試驗，對定位精度進行分析，研究其在高鐵精密控制測量的可行性。

1精密控制測量試驗方案

本次試驗采用國產南方S86接收機，首先通過與美國天寶R8接收機相位測量結果對比分析，來檢驗南方S86接收機的性能和可靠性；結合在建京沈客專精密控制測量項目，采用BDS進行高鐵CPI級(二等)控制網測量試驗，并與GPS定位結果進行對比分析。

1.1　試驗選取的點位基本要求

①對空通視條件良好，使用GNSS接收機觀測的點位便于安置儀器，周圍視野開闊，對天通視情況良好，高度角15°以上無障礙物阻擋衛星信號；

②遠離高于安置天線高度的樹木、建筑物等阻擋衛星信號的障礙物；

③避免電磁場對GPS衛星信號的干擾，點位遠離大功率無線電發射源、高壓輸電線；

④在點位附近無大面積水域，以避免多路徑效應的影響。

GNSS測量基本技術要求見表1。

1.2　數據分析

通過南方S86與天寶R8接收機基線解算數據對比分析，驗證南方S86接收機的性能。

潘國文曾說“中國人善形象思維，西方人善邏輯思維”，其中，形象思維就是我們常說的具體思維，而邏輯思維即抽象思維。由此看來，漢民族更注重具體思維，而西方民族更傾向于抽象思維。

驗證BDS、BDS+GPS組合定位是否滿足高鐵平面控制測量精度要求。

CPI坐標成果重復性檢驗滿足：Δx，Δy≤20mm；

相鄰點坐標差之差相對精度滿足1/130 000；

2南方S86接收機測量可靠性檢驗

試驗時，采用4臺帶有BDS的南方S86接收機和4臺天寶R8接收機，同步觀測CPI點，對南方S86接收機的性能進行檢驗。試驗時為了減小對中誤差對定位成果的影響，采取如下措施：選擇穩定性好的三腳架，不同的天線類型測量時均采用相同的基座，在更換天線時保持三腳架和基座不動，具體外業測量按高鐵CPI測量技術要求實施。

(1)對南方S86接收機分別采用GPS、BDS進行基線解算，然后進行重復基線比較，如表2、表3。

從表2、表3中看出，采用南方S86接收機的GPS和BDS載波相位觀測值分別解算基線，重復基線向量分量和基線長度較差均滿足高鐵規范二等精度要求。

為檢驗S86接收機測量性能和可靠性，將南方S86和天寶R8兩種接收機均采用GPS信號數據進行基線解算，然后進行重復基線比較，見表4。

從表4中看出，天寶R8接收機與南方S86接收機載波相位觀測值基線解算，其重復基線較差均滿足高鐵二等(CPI)精度要求。兩種天線的重復基線向量分量和基線長度較差較小，滿足精度要求，說明南方S86與天寶R8接收機其GPS載波相位測量精度相當，南方S86接收機性能和測量精度可以保證。

3CPI級控制網精密控制測量試驗

為了進一步測試北斗系統是否可以進行高鐵精密控制測量可行性，在京沈客專CPI(二等)測量項目中，采用4臺南方S86接收機進行同步觀測，同時接收BDS和GPS雙星數據，連續測設30 km的8個CPI點(相鄰點間距約4 km左右)，控制點網形圖見圖1。

3.1　CPI控制網重復基線比較

通過數據預處理，分別采用BDS和GPS數據進行CPI基線解算，對重復基線進行比較分析，見表5～表7。

從表5看出，不同時段的BDS基線向量分量較差和重復基線較差均滿足高鐵二等精度要求。

從表6看出，分別采用BDS和GPS載波相位進行基線解算，其重復基線向量分量和長度較差滿足高鐵二等測量精度要求。

BDS和GPS系統組合定位基線解算，其重復基線坐標分量、長度較差均很小，滿足規范高鐵平面控制測量二等精度要求。同時從上述比較分析中得出，BDS+GPS系統組合定位精度與單GPS系統定位精度相當，比單BDS定位精度穩定。

3.2　BDS基線異步環閉合差統計

BDS基線解算完成后，選取獨立基線組成異步環，對異步環閉合差統計，見表8。

從表8看出，BDS基線解組成的異步環閉合差全部滿足高鐵二等精度要求。

3.3　CPI平面坐標重復性檢驗

基線質量檢核完成后，進行無約束平差和約束平差，向量改正數、同名基線向量改正數較差、方向中誤差都滿足規范要求后，對BDS坐標與GPS坐標進行比較，并對相鄰點坐標差之差相對精度進行統計，見表9、表10。

對BDS定位坐標進行重復性檢驗，不論是BDS系統間坐標比較，還是BDS與GPS坐標比較，均滿足高鐵CPI坐標差±20 mm的精度要求，相鄰點坐標差之差相對精度均優于1/130 000精度要求。

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中圖分類號：P228； P207

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0001-03

作者簡介：梁永(1979—)，男，碩士，高級工程師。

收稿日期：2015-07-23