千尋位置在鐵路勘測中的應(yīng)用研究

楊李龍 徐永明

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

在鐵路勘察設(shè)計中，測繪是十分重要的基礎(chǔ)工作，也是貫穿鐵路運營全生命周期的長期工作。新興測繪技術(shù)的應(yīng)用，將進一步提高鐵路勘測設(shè)計一體化服務(wù)水平[1-2]。因此，研究和分析千尋位置服務(wù)應(yīng)用于鐵路勘測過程的可行性、優(yōu)勢及特點，實現(xiàn)將千尋位置服務(wù)應(yīng)用于鐵路勘測及運營監(jiān)測過程，具有十分重要的意義。

當(dāng)前，鐵路常規(guī)勘測技術(shù)主要有單基站RTK、區(qū)域CORS-RTK、無人機航測以及傳統(tǒng)的地面數(shù)字測圖技術(shù)等。其中，單基站RTK存在作業(yè)精度隨距離的增加而衰減、需要架設(shè)基準站以及作用距離有限等不足[3]；區(qū)域CORS-RTK技術(shù)在一定程度上彌補了單基站RTK技術(shù)的不足，但是對于鐵路勘測這類長大線路的精準測控同樣存在作業(yè)距離有限的問題，且區(qū)域CORS網(wǎng)絡(luò)多為各省市建立，申請使用的手續(xù)復(fù)雜，在網(wǎng)絡(luò)邊界處容易出現(xiàn)精度降低等現(xiàn)象[4]；無人機航測具有靈活方便、成本低等優(yōu)點，但其受氣象條件影響較大，難以滿足全天候作業(yè)要求，且在地面遮擋嚴重地區(qū)難以獲取準確的高程數(shù)據(jù)[5]；以全站儀等為主的地面數(shù)字測圖技術(shù)存在作業(yè)效率低下、測量精度影響因素較多等不足[6]。千尋位置服務(wù)在全國布設(shè)有大量的基準站，并通過BDS地基增強系統(tǒng)提高其定位性能。基于這一平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)為眾多行業(yè)和不同的場景提供高精度的定位服務(wù)[7]。千尋位置應(yīng)用于鐵路勘測的潛在優(yōu)勢在于省去了建立基準站的環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的大范圍測量，并有望省去控制網(wǎng)的建網(wǎng)工作[8]，可很大程度上節(jié)省人力、物力、財力。

千尋位置是近年來新興的一種測量應(yīng)用方法，其基于先進的融合定位算法并充分發(fā)揮全國大量基準站的海量觀測數(shù)據(jù)優(yōu)勢[9]，可通過互聯(lián)網(wǎng)向用戶提供全天候差分信息[10]。目前，千尋位置已在水利、農(nóng)業(yè)、礦山、物聯(lián)網(wǎng)及無人車等行業(yè)開展了大量應(yīng)用研究[11-14]，并取得了良好的應(yīng)用效果，但是尚無應(yīng)用于鐵路勘測中的相關(guān)研究。

1 千尋位置網(wǎng)絡(luò)CORS及其原理

1.1 網(wǎng)絡(luò)CORS組成及原理

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)是以一個或多個持續(xù)工作且位置固定的GNSS基準參考站、計算機、因特網(wǎng)以及數(shù)據(jù)通訊服務(wù)組成的網(wǎng)絡(luò)[15]。網(wǎng)絡(luò)CORS可以為用戶提供可靠的即時服務(wù)，具有高度信息化、數(shù)據(jù)高可靠性、支持高并發(fā)、服務(wù)高度自動化和智能化等特點[16]。

網(wǎng)絡(luò)CORS主要包括參考站、數(shù)據(jù)計算中心、用戶終端、通信鏈路等四部分[17]。參考站主要為衛(wèi)星接收機以及天線等，用于提供觀測數(shù)據(jù)。計算中心提供計算改正信息以及數(shù)據(jù)播發(fā)[18]。網(wǎng)絡(luò)CORS屬于多基站CORS，通過多個參考站提供的觀測數(shù)據(jù)，再經(jīng)過計算中心提供區(qū)域改正信息并播發(fā)，用戶可以免除架設(shè)參考站的環(huán)節(jié)，直接接入網(wǎng)絡(luò)進行RTK測量。千尋網(wǎng)絡(luò)CORS是多基站CORS系統(tǒng)，通常采用虛擬參考站技術(shù)(Virtual Reference Station，VRS)，主要原理如圖1所示。

圖1 CORS系統(tǒng)工作原理

CORS服務(wù)的關(guān)鍵在于提供準確可靠的改正信息，這需要眾多固定參考站的連續(xù)長期觀測，經(jīng)過優(yōu)選和加權(quán)處理，為用戶區(qū)域提供后處理星歷以及準確的改正信息，用戶基于播發(fā)的改正信息進行差分定位，獲得高精度定位結(jié)果。“千尋知寸”是千尋位置提供的動態(tài)條件下的厘米級網(wǎng)絡(luò)CORS服務(wù)，其定位原理及流程可概括為：用戶向千尋網(wǎng)絡(luò)反饋其概略坐標(biāo)，千尋位置服務(wù)通過因特網(wǎng)為授權(quán)用戶提供目標(biāo)區(qū)域的高精度差分數(shù)據(jù)，在用戶接收機固件中完成差分解算并最終得到穩(wěn)定的高精度定位結(jié)果。

1.2 基于地基增強系統(tǒng)的格網(wǎng)VRS基本理論

地基增強系統(tǒng)(GBAS)是重要的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基礎(chǔ)設(shè)施，可以大幅度增強GNSS導(dǎo)航的定位性能，為廣域和海量用戶提供高實時、高精度的定位服務(wù)[19]，GBAS主要由計算中心、基準站網(wǎng)絡(luò)、用戶終端及通信模塊四大部分組成[20]。各部分協(xié)調(diào)配合，其中基準站網(wǎng)絡(luò)負責(zé)長期連續(xù)觀測，提供衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)等信息；計算中心負責(zé)改正數(shù)據(jù)的計算以及播發(fā)等任務(wù)。地基增強系統(tǒng)的組成示意見圖2。

圖2 地基增強系統(tǒng)組成

格網(wǎng)VRS是對傳統(tǒng)VRS服務(wù)的改進。在計算中心，將眾多參考站網(wǎng)絡(luò)按照地理范圍進行網(wǎng)格分配，把各網(wǎng)格點作為虛擬參考站并按照一定的規(guī)則進行格網(wǎng)點編號，基于參考站的實時觀測數(shù)據(jù)和準確坐標(biāo)，生成各個網(wǎng)格點虛擬參考站的虛擬觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)概略坐標(biāo)判斷用戶所在格網(wǎng)，為其提供差分觀測數(shù)據(jù)，從而完成實時高精度定位。格網(wǎng)VRS技術(shù)的優(yōu)勢在于計算中心和用戶終端之間為單向通訊連接，用戶終端無需向計算中心發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減小了通訊線路的負荷。

2 應(yīng)用驗證

基于“千尋知寸”網(wǎng)絡(luò)CORS服務(wù)，提出在已經(jīng)建立高程和平面勘測控制網(wǎng)的作業(yè)范圍內(nèi)，利用“千尋知寸”開展鐵路勘測的應(yīng)用思路。通過控制點的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)和千尋位置采集的大地坐標(biāo)建立點校正，直接實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，進而開展勘察測量工作。基于上述思路，在某鐵路勘測項目中開展了應(yīng)用研究及精度驗證。該項目的控制點網(wǎng)形見圖3。

圖3 項目控制點分布情況

采用本節(jié)所述應(yīng)用思路，以“千尋知寸”服務(wù)采集的GPS8201大地坐標(biāo)作為無約束平差起算點，得到其余各控制點的大地坐標(biāo)，在儀器手簿中進行點校正計算，完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求取。

基于“千尋知寸”的方法，采集到項目首級網(wǎng)各控制點的坐標(biāo)，與既有控制點坐標(biāo)值進行對比并求差，見圖4。

圖4 既有控制網(wǎng)成果與測量值三維差值

由圖4可以看出，GPS8206～GPS8212測得的坐標(biāo)值與既有成果差別較大，平面坐標(biāo)分量差值最大為39 mm，高程最大差值為98 mm，且呈現(xiàn)一定的趨勢性。

由圖3可知，該線路呈狹長狀，隨點號的增加，其與GPS8201的距離越長。分析其原因，是無約束平差計算時采用線路一端的點作為起算點，由于靜態(tài)基線測量誤差的影響，離起算點越遠的控制點誤差越大。其中，高程分量的趨勢性最為明顯。

為了驗證上述現(xiàn)象是由基線測量誤差所引起，在平差計算時采用GPS8201(位于線路一端)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)作為起算點，將計算得到的坐標(biāo)與既有坐標(biāo)成果進行對比，得到基線傳遞造成的理論差值；再以“千尋知寸”采集到的GPS8201坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，得到各控制點的坐標(biāo)。兩種方法所得三維差值結(jié)果如表1所示，并做“千尋知寸”方法所得差值與理論差值的一次差，結(jié)果見圖5。

由表1和圖5可以看出，平面存在平均17.17 mm的固定誤差，高程存在平均32.92 mm的固定誤差，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因為起算點GPS8201的大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)由千尋知寸RTK外業(yè)采集獲取，這一過程存在測量誤差。剔除這一固定誤差后，基線誤差傳遞引起的理論差值與測量值基本吻合，驗證了離起算點越遠的點偏差越大是由于基線測量誤差所引起。

表1 基線誤差傳遞引起的理論差值與測量值對比 mm

圖5 實測值所得差值與理論差值的一次差

3 結(jié)束語

系統(tǒng)研究總結(jié)了千尋網(wǎng)絡(luò)CORS及其基本原理，以及基于地基增強系統(tǒng)的格網(wǎng)VRS基本理論，并提出將千尋位置服務(wù)應(yīng)用于已有勘測控制網(wǎng)區(qū)域鐵路勘測的具體思路。結(jié)合某鐵路勘測項目，開展了其應(yīng)用研究及精度驗證，所得結(jié)論如下。

(1)“千尋知寸”服務(wù)應(yīng)用于鐵路勘測，能夠提供厘米級的定位精度，滿足常規(guī)鐵路勘測需求。

(2)其測量精度受既有基線測量誤差的影響，高程方向尤為明顯，離起算點越遠誤差越大。因此，在使用過程中應(yīng)合理選擇起算點。

(3)由于“千尋知寸”RTK測量的誤差影響，直接用測量結(jié)果作為起算點推算各控制點坐標(biāo)會造成平面約2 cm、高程方向約3 cm的誤差。