淺談GNSS在高速鐵路CPIII精密控制測量中的應用

吳業(yè)平

摘要：隨著我國高速鐵路的發(fā)展，高速鐵路精密控制測量在高速鐵路工程領域的作用也就越來越明顯。傳統(tǒng)的高速鐵路工程測量使用的測角與邊不能適用現在的時代需求，在GNSS技術環(huán)境下，高速鐵路軌道CPⅢ平面控制網精密測量如何快速獲取精確數據，并建立數據采集和分析一體化系統(tǒng)以及實際工程項目為向導進行GNSS接收機搭載軌檢小車進行高速鐵路軌道CPⅢ平面控制網測量的數據采集與數據分析處理是重點和難點。

關鍵詞： 高速鐵路;GNSS系統(tǒng);CPIII測量

一、前言

（一）問題的提出

近年來，隨著全球科學技術的進步，測量領域取得了突出的成就，由原來傳統(tǒng)老式的光電水準儀和經緯儀進行傳統(tǒng)的測角量邊到如今借助衛(wèi)星通信技術的信息化測量，特別是在高速鐵路工程領域，基于GPS導航的測量定位技術已經在高速鐵路工程測量和監(jiān)測領域取得顯著成效，各項功能和指標都有比較成功的應用。那么在GNSS導航系統(tǒng)內，高速鐵路領域的工程測量會發(fā)生哪些變革，特別是 CPIII精密控制測量領域中，如何對高速鐵路CPⅢ 控制網進行優(yōu)化設計以及測量方案技術研究方法的探討，都具有重要的現實意義。

二、研究結果及分析

基于GNSS系統(tǒng)內的高速鐵路CPⅢ精密控制測量技術的運用研究主要如下：

（一）基于GNSS技術的定位原理與優(yōu)勢

將 2 臺以上的 GNSS 接收機安置在固定的測站上 （相鄰測站點間距<1km），同步觀測四顆以上的衛(wèi)星 30～90min，測量出測站點 P 至 4 顆以上 GNSS 衛(wèi)星的距離，并解算出該時刻衛(wèi)星的空間位置，據此利用空間距離后方交會法可解算出測站點 P的三維坐標。即三維三邊測量法（見圖 1），3 個距離觀測值可以解算出 1 個點的緯度、經度與大地高程，其他多余觀測量進行位置修正。

GNSS 靜態(tài)相對定位測量有以下優(yōu)點：

1）效率高：GLONASS、GPS 衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星取消 SA 的干擾，使其測試精度提高了 3 倍。在靜態(tài)、動態(tài)及半動態(tài)的工作中，利用 3 個導航衛(wèi)星系統(tǒng)定位速度更快，進而加快了整個數據采集處理的速度。

2）更可靠：提供了更多的高仰角衛(wèi)星，增加可觀測的衛(wèi)星數量，增加的衛(wèi)星數目會使衛(wèi)星幾何分布更好，極大地提高發(fā)現和孤立故障衛(wèi)星的能力，能更好地覆蓋有遮擋的困難地區(qū)。

3）提供三維坐標：GNSS 測量技術可同時精確測定測站點的三維坐標，且在通視較好的平原或丘陵地區(qū)，高程擬合（平面擬合）可滿足二等水準測量的精度要求，特別是對于高速鐵路工程項目監(jiān)測和復測成果明顯提高其工作效率。

4）測站點間無須通視：不要求測站點之間相互通視，只需測站上空開闊，點位疏密可根據需要靈活選擇，可省去常規(guī)高程測量中的傳算點、過渡點的測量工作。特別是對于那些橋涵、隧道工程的監(jiān)測工作，大大提高了可操作性。

（二）GNSS技術用于高速鐵路CPⅢ控制測量中的精度分析

整個高速鐵路建設分為勘測設計階段、施工組織階段、運營維護階段，每一個階段，測量工作都在其中發(fā)揮了很重要的作用，即時是基礎作用，也是決定工程成敗的關鍵作用。目前我國鐵路工程測量要求鐵路的勘測設計控制網、施工組織控制網、運營維護控制網必須統(tǒng)一坐標系和起算基準，也就是“三網合一”，而高速鐵路施工控制網包括CPI（一級基礎平面控制網）、CPII（二級線路平面控制網）CPⅢ（三級軌道控制網），可見高速鐵路CPⅢ精密控制測量技術是整個高速鐵路測量中很重要的環(huán)節(jié)。而CPIII精密控制測量網的方案技術設計主要包括精度指標的合理確定，觀測的技術要求以及控制網的建立三個方面。

在GNSS系統(tǒng)內測量：精度指標是以最新的高速鐵路測量規(guī)范為依據，是基于GNSS系統(tǒng)環(huán)境下建立起的CPIII精密控制測量網，CPIII控制網分初級和加密級兩個等級進行布設。首級GNSS控制網的等級為CPIII初級控制網，次級GNSS控制網的等級為CPIII等級加密控制網。加密級完全在初級的控制之下，CPIII初級控制網點均勻布設，覆蓋整個高速鐵路工程沿線。控制網高速鐵路線路呈網狀布設。每8個點組成的CPIII初級控制網按照GNSS控制網精度要求進行外業(yè)觀測測量，采用8臺天寶R4GNSS接收機（或萊卡系列GNSS接收機）進行外業(yè)靜態(tài)觀測，每條邊觀測時段不少于2個，每個時段不短于90分鐘，衛(wèi)星高度角不小于15°，接收機采樣間隔設置為15S，PDOP或GDOP值值不超過6。觀測時天線整平對中誤差不大于1mm，每時段觀測前后各量取天線高1次，兩次互差小于3mm，取其平均值作為最后觀測值。

以具體的鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標段的為例，本測區(qū)位于位于湖北省襄陽市襄州區(qū)峪山鎮(zhèn)、東津新區(qū)境內，起訖線路里D1K386+961.408-D1K391+924.180。本測區(qū)平面坐標系采用既有精測網的工程獨立坐標系，采用參考CGCS2000橢球體，中央子午線為112°30′，投影面大地高為45米，高程異常-22米。高程系統(tǒng)采用既有精測網高程系統(tǒng)，即1985國家高程基準。本測區(qū)CP，CPⅢ高程控制網共測量CPⅢ點186個，聯(lián)測二等水準加密點6個（386JMH22、388JMH21、389JMH21、390JMH21、391JMH21、392JMH21）。

測量方法采用自由測站邊角交會方法對本測區(qū)CPⅢ點進行平面測量，并與CPIII同等級加密控制點進行了聯(lián)測;采用矩形環(huán)單程水準路線方法對本測區(qū)CPⅢ點進行高程測量，并與二等水準點、二等水準加密點進行聯(lián)測。

測量設備1）徠卡GNSS 接收機8臺套，均檢定合格;2）徠卡配套 TS60型全站儀1臺，儀器標稱精度：0.5〞，0.6mm+1.0ppm，檢定合格;3）軌道幾何狀態(tài)檢查車與GNSS系統(tǒng)兼容并能接收多個衛(wèi)星信號。

CPⅢ控制點應設置在穩(wěn)固、可靠、不易破壞和便于測量的地方。CPⅢ控制網布設的技術主要技術要求如表1所示。

本測區(qū)路基段CPⅢ點成對埋設在路基上設置的專用控制樁上，橋梁段CPⅢ點在選定位置橋梁固定支座上方防撞墻頂鉆孔進行埋設。 CPⅢ控制點的布設與傳統(tǒng)的測量方法不同，是按下列要求執(zhí)行：天線安置的對中誤差不應大于1mm，天線高量取應精確至1mm，在120度方向三次量取，較差不大于2mm取中數使用;觀測作業(yè)應嚴格按調度表進行，保證同步觀測同一組衛(wèi)星，不得中間關機，改變天線位置或觀測參數及進行其他調試等觀測中，應避免在接收機近旁使用無線電通信工具;觀測員在作業(yè)期間不得擅自離開測站，并應防止儀器受震動和被移動，防止人與其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號;作業(yè)同時應填好觀測手簿，包括控制點點名、接收機序列號、儀器高、天線類型、開關機時間等相關的測站信息，不得缺項。GNSS控制網采用靜態(tài)作業(yè)模式，采用雙頻接收機進行觀測，作業(yè)前對衛(wèi)星接收機和天線等設備進行常規(guī)檢查，采用統(tǒng)一印制的觀測手簿進行記錄。觀測過程中，定時檢查接收機觀測狀況，并量取天線高，精確至1mm。

經對比分析，中誤差和閉合差以及限差數值均小于傳統(tǒng)測量方法的數值，項目在實施過程中，為提高龐大的內業(yè)計算效率，項目組采用了若干軟件，包括導線邊長高斯投影改化、高程歸化等軟件，通過最新軟件的應用，大大提高了作業(yè)效率。此段路標CPIII控制網中導線邊長改化工作，采用常規(guī)方法利用Excel表格編寫相關公式進行計算，上百個導線邊長需要一天的時間，采用最新的導線邊長改化軟件后，此項工作只需要幾分鐘的時間。CPIII控制網的定點數據采用整體平差的方式，在控制網定位中間盡量與衛(wèi)星定位控制點聯(lián)測，保證了點坐標精確度的統(tǒng)一。其次CPIII精密控制網的各項指標均小于限差，滿足規(guī)范要求;通過上述精度分析表明，鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標段CPIII精密控制網各項精度指標均達到規(guī)范要求，可作為整個鄭萬高鐵工程測量的測繪基準點，為進一步的軌道控制網CPIII和軌道基準網GRP的建立打下堅實基礎。

（三）在GNSS系統(tǒng)內的CPⅢ平面控制測量中內業(yè)數據處理與分析

以具體的鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標段的為例，本區(qū)段CPⅢ平面網共觀測CPⅢ控制點186個，聯(lián)測CPⅡ同等級精度加密控制點10個。其自由網平差的精度情況如表2所示，搭接前約束網平差的精度情況如表3所示，各項精度指標均滿足規(guī)范要求。

本區(qū)段與相鄰大、小里程段的CPⅢ平面網各重疊測量了6對CPⅢ點，由表可知，本區(qū)段與相鄰小里程段的CPⅢ平面網，搭接處的重疊點獨立平差坐標成果較差均滿足≤3mm的規(guī)范要求，可進行下一步搭接處理。為了做好軌道控制網區(qū)段間的銜接，保證CPⅢ平面網精度的平穩(wěn)過渡，本次搭接處理過程中除了使用獨立平差時使用的約束點外，還采用了重疊處上一區(qū)段的部分CPⅢ成果作為起算點，其搭接后約束平差的精度情況如表所示，約束平差后重疊測量的CPⅢ點前后區(qū)段坐標成果較差情況。

三、研究總結

在GNSS系統(tǒng)內進行CPIII精密控制測量作業(yè)，由于獲得的衛(wèi)星通信信號要強于單獨的GPS衛(wèi)星通信信號，且通過比較其精確度與各項指標值均高于傳統(tǒng)測量作業(yè)方法，隨著北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的越來越完善，其精確度和靈敏度也會越來越好，那么這種兼容性的GNSS系統(tǒng)下的各種測量儀器設備也會越來越多，因此GNSS控制測量也是大勢所趨，特別是高速鐵路測量領域內，由于高速鐵路要求高平順性，并且在設計、施工、運營過程中都需要測量，因此工程量大，測量任務繁重，特別是在監(jiān)測過程中，細微的變動都會引起很大誤差，需要對CPIII控制測量網進行實時監(jiān)測也是趨勢之一，那么對CPIII控制測量技術進行研究具有很大的工程意義和實用價值。

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校級課題：基于GNSS系統(tǒng)的高速鐵路CPIII精密控制測量技術研究，

項目編號為（2018005）