基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統研究

周少喻，許建國

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基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統研究

周少喻，許建國

目前我國鐵路精準放樣主要采用GPS系統，而北斗系統在鐵路領域應用較少。本文首先闡述北斗高精度定位技術的數據流程及原理，研究基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統，同時提出接觸網桿位放樣可視化操作，最后對北斗高精度定位技術和鐵路專用電子地圖生成等關鍵技術進行詳細論述。

北斗高精度定位技術；接觸網桿位放樣；可視化；數據庫

0 引言

北斗衛星導航系統[1]全球組網加速，北斗高精度定位技術的精度已經達到事后毫米級、實時厘米級。隨著鐵路建設的快速發展，鐵路建設施工對高精度定位的需求越來越多，尤其是對接觸網桿位高精度測量需求迫切。通過研究基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量技術，可快速、方便、準確地獲取接觸網桿位高精度位置數據，形成高精度數據庫，并為鐵路的“一路一庫”預留接口。

基于北斗高精度定位[2]的接觸網桿位測量系統，在鐵路專用電子地圖上標定顯示，可為鐵路施工人員提供接觸網桿位放樣可視化界面交互，提高鐵路施工項目的精準度和管理水平。

1 北斗高精度定位技術的數據流程

北斗衛星導航系統是我國自主研發并獨立運行的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統由地面控制站、空間站和用戶終端組成，計劃到2020年實現全球布網。北斗衛星導航系統采用碼分多址技術處理不同的衛星信號，以實現為整個亞太區域提供全天候、全天時的定位、導航、授時等服務功能。北斗衛星導航系統與其他系統，如美國GPS或者GLONASS導航系統有一定區別，能夠提供獨特的短消息通信服務，可應用于海洋、鐵路、智慧城市等領域。

基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統依靠北斗導航系統，利用北斗高精度定位技術實現厘米級定位，其北斗基準站通過電臺或者3/4G等公網將衛星偽距、載波相位觀測量[3]、基準站的坐標以及天線高度等信息傳輸給流動站，流動站完成初始化后，接收北斗衛星觀測量數據，并與接收到的基準站的信息進行差分實時處理，計算得到厘米級定位結果，其數據流程見圖1。

2 基于北斗定位的接觸網桿位測量系統

基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統利用北斗高精度定位手持測量儀在野外鐵路沿線采集數據，自動記錄并存儲，快速定位放樣點，將數據利用電臺或3/4G網絡傳輸到地面控制中心服務器進行處理，保證放樣作業快速、準確、高效率。同時由計算機建立數據庫，生成并更新鐵路專用電子地圖，有利于后續的成果應用和信息管理。

圖1 北斗高精度定位技術的數據流程

2.1 工程管理

基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統工程管理需要輸入工程名、作者以及日期，使用和選擇與工程一致的坐標參數（坐標系、投影、基準轉換、平面校正、高度擬合等），如使用新坐標系，需要重新選擇坐標系，并輸入中央子午線參數。

2.2 系統功能

基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統[4]在測量過程中，鐵路專用電子地圖上的點、線、面以不同顏色或樣式顯示，在地圖上選擇待放樣的點或線，并設置為終點，根據導航方向即可找到接觸網桿位放樣點（圖2）。系統主要功能如下：

圖2 接觸網桿位放樣選線

（1）點校正。根據WGS-84和當地平面直角坐標系，經過坐標轉換計算轉換參數，利用轉換參數進行點校正，系統校正成功會提示“平面校正成功、高程擬合成功”信息，將當前計算的校正參數應用到坐標系參數中，對整個工程任務生效，用戶登錄可查看平面校正和高程擬合參數，否則參數不顯示（圖3）。

圖3 系統點校正

（2）接觸網桿位放樣。系統根據提示找到待放樣點，當施工人員接近目標時，設備發出提示音，距目標越近提示音越急促，在目標點點擊左下角綠色圖標，靜止5 s，放樣成功，系統會自動顯示下一個待放樣點的位置并引導前往（圖4）。

圖4 放樣導航

3 關鍵技術研究

3.1 北斗高精度定位技術原理

采用載波相位動態實時差分技術的北斗高精度測量可實現在指定坐標下實時提供三維坐標定位結果，定位精度達到厘米級，北斗高精度定位系統在基準站觀察第顆北斗衛星并取得偽距，偽距計算式為

北斗高精度用戶機可計算衛星的偽距為

式中，u為移動北斗高精度接收機的噪聲。

若基準站和高精度接收機可同時觀察的衛星數目在4顆以上，則有4個以上方程，可解4個參數，即北斗高精度用戶機坐標（u，u，u），其中D包含了一系列誤差參數：

D=(u-j) +(u-j) + (u-j)

北斗衛星載波相位觀測量的值為

北斗基準站利用公網或電臺等傳輸鏈路將載波相位數據傳輸到北斗高精度用戶機進行差分：

通過以上計算式可計算觀測衛星的整周模糊度和載波相位的小數部分，在一個歷元周期內觀察4顆以上衛星，即可計算出北斗高精度用戶機的精確坐標位置，精度可以達到厘米級。

3.2 鐵路線路專用地圖生成技術

基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統中上位機軟件的鐵路專用電子地圖可以導入預先設定的線路數據坐標文件或站區線路電子圖文件，生成線路（軌道）數字地圖，通過GIS平臺實現采集、管理、分析、輸出各種地理信息的功能，并支持空間數據管理。鐵路線路還存在道岔，路線多為空間曲線，GIS系統將地圖的表格型數據（來自數據庫、電子表格或在程序中直接輸入）與北斗高精度定位數據直接擬合轉換為地理圖形進行顯示，然后對顯示結果進行瀏覽。

3.2.1 軌道地圖數據處理流程圖

軌道數字地圖的數據處理流程見圖5。

圖5 軌道地圖數據處理流程

數據處理及地圖生成算法流程如下：

（1）通過北斗高精度測試儀采集鐵路線路的數據集，其中數據點（x,y）∈。

（2）數據的剔選。剔除采集的鐵路線路數據中的錯誤數據。

（3）軌道線路形態判別：利用剔選后數據集的相鄰點連線斜率變化判定直線線路、曲線線路的組成，得到軌道線路組成結構。

（4）擬合。對剔選后的數據在精度約束條件下進行約簡，得到鐵路線路擬合數據集。

3.2.2 混合曲線軌道地圖擬合算法

考慮鐵路軌道線路組成的結構，利用插值節點對軌道線路進行分段擬合，分為段，若曲線部分s段，直線部分I段，則=s+I。若曲線部分坐標為（S，j()），直線部分坐標為（I，q()），在曲、直線相連的值節點處（I，q()）與（S，j()）為同一點。

（1）曲線線路部分擬合。3次樣條函數分段擬合，邊界條件應符合形態約束的軌道曲線，如果兩邊的插值節點都為曲線，則曲線擬合的第一類邊界條件為相鄰線的斜率。曲線表達式為

j() =j3+j2+jx +j，（=1,2,3，…，s） （1）

（2）直線線路部分擬合。利用直線兩端端點的坐標，計算函數的表達式并進行擬合，直線表達式為

q() =qI+q，（=1,2,3，…，I） （2）

（3）校驗。在精度約束t下，對擬合后的分段曲線利用原始數據進行誤差校驗，若存在不滿足軌道曲線精度約束，可適當增加插值數據，再重新擬合多次，直至可以保證線路地圖的精度。

（4）整理。通過疊加分段擬合曲線，得到混合曲線分段擬合的完整軌道地圖，表達式為

式（3）為曲線部分擬合表達式，式（4）為直線部分擬合表達式。

4 結語

本文基于北斗高精度定位技術研究的接觸網桿位測量系統，可以彌補以往單一GPS系統的不足，以鐵路線路、接觸網桿位大數據和交互標定顯示為基礎，結合地圖生成技術、GIS技術、計算機軟件[5]等技術，最終構建面向鐵路建設施工需求的接觸網桿位測量系統。該系統極大提高了測量工作效率，降低了施工成本，減小了測量人員戶外作業的勞動強度，此外對于轉變鐵路施工從粗放式管理到精細化管理具有重要意義。因此，基于北斗高精度定位的接觸網桿位測量系統具有非常廣闊的應用前景。

[1] 李國重. 北斗衛星導航系統星座可靠性的建模、計算與評價[D]．鄭州：信息工程大學，2011.

[2] 楊元喜. 北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J]. 測繪學報，2010.

[3] 雒應. 北斗實時動態定位技術在公路定線測量中的應用與精度分析[J]. 長安大學學報，2002.

[4] Microsoft Co.:《Microsoft Developer Network (MSDN) 2005》.

[5] 彭劍. 基于ARM嵌入式系統的GPS地圖匹配系統[D]. 南京：東南大學，2006.

[6] 陳龍飛，金其坤. 工程測量[M]. 北京：同濟大學出版社，1990.

At present, the accurate lofting of domestic railway construction engineering is mainly depending on GPS system, with less application of Beidou navigation system. The paper illustrates firstly the data flows and principles of high precise positioning technology of Beidou navigation system, introduces the researches on OCS mast position measurement system based on Beidou high precise positioning technology for OCS mast measurement system, and describes in details the key technologies of high precise positioning technology and generation of railway dedicated electronic map.

Beidou high precise positioning technology; catenary mast lofting; visualization; database

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.001

U225.1

A

1007-936X(2017)05-0001-04

周少喻.中國鐵路總公司，高級工程師；許建國.中鐵電氣化局集團有限公司，教授級高級工程師。

2017-04-27