基于GNSS定位技術的軌道幾何參數測量方法

路計哲

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

鐵路軌道幾何參數包括外部幾何參數(包括平面坐標和高程)和內部幾何參數(包括軌距、軌距變化率、超高、水平、扭曲、軌向、高低、正矢，其中軌向和高低通常又統稱為平順性參數[1-2]。高速鐵路軌道平順性又有短波和長波之分)。軌道幾何參數是直接影響鐵路運行安全的關鍵參數之一，在鐵路建設和養護維修階段，均需對各參數進行可靠測量。在高速鐵路的施工階段，各個標段單獨對各自標段內的線路進行施工測量，致使各標段之間連接處CPⅢ出現錯位，從而造成軌道外部幾何參數和軌道平順性參數測量出現變異，盡管測量后做了數據處理，但這種處理僅限于圖上，并非對線路的實際調整，事實上也無法調整，因此給后期的養護維修質量造成隱患。在高速鐵路的運營維護中，軌道測量儀對軌道外部幾何參數的測量在CPⅢ 坐標系下完成，其測量效率很低，無法滿足線路養護維修的需求[3-4]。同時，CPⅢ的坐標是以衛星定位得到的CP0逐級加密平差得到CPⅠ,CPⅡ而最終得到的，因此其相對位置坐標的誤差雖然很小，但其絕對坐標的誤差卻逐級積累變大；況且線路的不均勻沉降會導致CPⅢ發生變形，這些因素均會導致軌道外部幾何參數測量誤差變大。

近年來，隨著GNSS定位技術的不斷提高及載波相位差分技術在鐵路施工中的推廣應用，GNSS定位技術在軌道測量中的應用取得了顯著進展，測量精度也不斷提高。將GNSS接收機放置在線路兩側作為基準站進行組網及聯合解算，得到各GNSS基準站高精度的絕對坐標，將其作為軌道測量時的定位基準站；并利用GNSS技術對軌道測量時的特征點進行精確定位，將會提高軌道測量時外部幾何參數的測量精度。

1 線路基準站網的設計

1.1 定位基準站的布設

在鐵路線路兩側每隔2～5 km按“之”字形布設GNSS接收機作為基準站。基準站將觀測的數據實時傳輸到數據處理中心，數據處理中心對接收到的各基準站GNSS接收機數據進行長時間、大規模聯合解算，得到各個基準站高精度的三維坐標。實際試驗結果表明，由GNSS定位解算得到的高鐵基準站精度可以達到[5]平面精度≤1 mm，高程精度≤2 mm。

1.2 基準站數據處理

基準站網的解算采用精密長基線數據處理軟件進行[6]。通過各個基準站與IGS(International GNSS Service)站聯合解算獲取基準站較為精確的絕對地心坐標，對基準站數據進行單基線解算，再按照預先設定的閉合條件，對單基線計算結果進行三角形閉合差檢查。若單基線三角形閉合差檢查通過，則將全部基準站數據組網解算，并以組網計算的結果作為最終結果。

2 軌道幾何參數測量

2.1 GNSS軌檢儀的設計

在傳統軌檢儀上加裝GNSS接收機，通過GNSS接收機得到軌道特定點的三維坐標數據。由于GNSS接收機的當前定位精度還不能滿足軌道定位測量中要求的定位精度，為提高GNSS定位解算精度及解算效率，在軌檢儀上適當的相對位置安裝2～3臺接收機，同時測量加裝了GNSS接收機的軌檢儀(以下簡稱GNSS軌檢儀)的坐標位置，增加平差的約束條件，提高定位結果解算精度。

2.2 流動站數據處理

GNSS軌檢儀上的流動站數據處理需要在高鐵基準站網的解算完成之后進行。采用精密短基線數據處理軟件進行，以基準站網解算的精確坐標作為已知值，將所有基準站和流動站的GNSS觀測數據進行聯合解算[7]。再將軌檢儀上GNSS接收機的間距作為約束條件，進行附加限制條件的解算，并以此作為GNSS軌檢儀位置的最終結果。

2.3 數據融合處理

為得到軌道的外部幾何參數，需要將流動站測量得到的特定點數據和軌檢儀慣性測量的相應數據進行融合。首先，通過軌檢儀的慣性測量得到線路的趨勢；其次，通過線路的設計坐標和特征點的實測坐標得到線路的約束條件[8]；最后，將線路的趨勢和約束條件進行數據融合，利用融合后的數據計算出軌道任意點內、外部幾何參數。

3 測量不確定度評定

從根本上講，在軌檢儀上加裝GNSS接收機屬于對傳統的軌檢儀與全站儀組合(即相對+絕對)測量方法的改進，軌檢儀的內部參數測量結果與特定點的GNSS的外部參數測量結果進行數據融合。因此這里只對GNSS軌檢儀的外部參數的測量不確定度進行分析，來驗證GNSS接收機與全站儀的等效性，進而驗證GNSS軌檢儀的可靠性。

GNSS軌檢儀外部幾何參數測量不確定度的主要來源為流動站定位誤差、固定站定位誤差、小車姿勢誤差。通過試驗可得以上各影響因素的測量結果，進而得到以上各影響因素導致的橫向位置、垂向位置測量結果的標準不確定度分量，如表1所示。

表1 標準不確定度分量

則其橫向位置、垂向位置測量結果的擴展不確定度分別為：U(h)=3.6 mm，U(v)=6.0 mm。

4 驗證試驗

在試驗區段范圍內布設3臺GNSS接收機，作為本次試驗的基準站網。在實際驗證試驗時由于試驗條件的限制，試驗區段長度通常比較短。此時，為保證驗證效果，將GNSS基準站安裝在該段線路內的3個CPⅡ 上，以其坐標作為試驗區段平面和高程坐標基準值的來源。為驗證GNSS軌檢儀測量數據能否滿足養護維修的要求，沿軌道方向每隔5 m設置1個標記點，采用上述方法和軌道測量儀分別對標記點的軌道幾何參數測量3次，再將兩者的測量結果進行比對(即計算相應特定點的差值)。實際驗證試驗中2種方法測量結果的橫向偏差差值如表2所示。表中x1,x2分別為GNSS軌檢儀和軌道測量儀的測量結果。

表2 GNSS軌檢儀與軌道測量儀橫向偏差差值統計

對于高程測量，高速鐵路從應用效果上考慮，更強調相對高程的重要性。鐵運[2012]83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》中規定，線路CPⅢ的高程容許相對誤差為2.0 mm。傳統測量方法是采用水準儀在CPⅡ 基礎上進行高程測量，但其測量效率比較低。就目前GNSS的高程定位測量而言，尚不能滿足高速鐵路檢測的需要(但定點長期監測是完全可行的)。但是高程的傳統測量方法存在誤差積累，距離越長，誤差越大，而GNSS方法不存在誤差積累，只要尋找到提高GNSS快速測量高程精度的方法，不僅能從根本上改善傳統方法的弊端，而且還能大大提高測量效率。

5 結論

利用GNSS定位技術，不僅能夠實現軌道外部幾何參數的測量，還能顯著提高軌道測量的效率。試驗結果表明，GNSS接收機與傳統軌檢儀結合，在線路上的綜合測量效率能夠達到2 km/h，遠優于目前高速鐵路上軌道測量儀逐枕測量的效率(每個天窗時間實際測量不超過300 m)，更好地滿足線路養護維修的需要。基準站網通過對整個線路的基準站進行整體的解算處理，不僅可以作為軌道測量時的基準點，而且可以作為線路路基變形的監測點，同時還能從根本上解決現行測量方法中因CPⅢ坐標穩定性不好帶來的頻繁復測問題。