GPS在高速鐵路控制測量中的精度分析研究

1.引言

隨著軌道交通技術的日趨成熟，越來越多的城市依靠高速鐵路等交通工具進行信息交流工作[1]，不同城市之間的距離開始縮短。但由于不同城市的地形地勢不同，不僅為城市高速鐵路建設帶來了困擾，同時也為區域線路勘測工作的實施帶來了挑戰。為了解決上述問題，引入了GPS技術（又稱全球標準化定位系統），在很大程度上實現了全球建設的信息化水平，并在一定程度上推進了數字化時代的到來。根據有關勘察數據顯示，高速鐵路建設的路段通常為地勢較復雜的區域，相比其他建設區域，高速鐵路控制測量時橋梁、隧工點的精度要求受到連接隧道與橋梁的影響，這些條件均是影響控制測量精度的主要因素。通常情況下，高速鐵路控制測量使用三角網及導線網測量方式，這類方式需要測量的兩點間能夠通視，具備一定的通透性[2]。由于此種因素屬于非人為控制因素，相關工作在實施時，不僅耗費時間與精力，且精度無法控制在可調控范圍內。將GPS技術應用到高速鐵路建設的控制測量工作中，可根據兩點間的距離對高速鐵路控制測量進行定位，使測量人員在工作中可實時掌握測量的定位結果，有利于提升高速鐵路控制測量的精度。基于此，本文以GPS技術的應用為研究切入點，開展GPS在高速鐵路控制測量中的精度分析與研究，以實現控制測量全過程的高精度。

2.GPS網中控制測量基線定向解算

應用GPS技術對高速鐵路控制測量點定位，主要利用測量基線對三差高速鐵路控制模型進行定向求解。其中三差是指同一組衛星定位數據中不同歷元數據的雙差數據值，這種控制測量點定位方法不僅有效地消除了參數具有模糊性的問題，同時也在一定程度上降低了衛星定位軌道的誤差值[3]。假設控制站為1和2，測量時間為T1和T2，基于歷元同步觀測衛星站p和q，建立雙差方程。此時，按照數據的靜態測量標準，劃分數據有效時長測量段，定義不同類型數據的采集樣本間隔時間，使用PDOP進行數據的收集[4]。當衛星站點識別數據為雙頻數據時，定義高速鐵路控制測量三差模型。此過程可用公式（1）表示。

根據對高速鐵路控制測量未知點的分析，可利用三差計算方法，進行觀測站點與非差相位觀測值的方差定義，以此掌握不同衛星觀測獲取的測量數據精度值。在此過程中，假定衛星站點與數據測量站點之間不具備一定的關聯性[5]，即在相同的控制測量時間內，歷元間的觀測值不相關。基于此，可遵循數據在衛星網絡中的傳遞誤差定律，進行GPS 定位站的觀測值方差檢驗。具體過程如公式（2）所示。

公式（2）中：D表示GPS定位站的觀測值方差；t表示測量具體時間；i表示觀測站發送定位數據的次數；n表示誤差傳播定律；a、b分別表示衛星站與觀測點；diag表示雙差觀測值；E表示隨機測量數據。在上述計算公式的基礎上，以為精度測量的時間依據，進行測量值—協方差矩陣的建設。如公式（3）所示。

3.高速鐵路控制測量數據處理與檢核

在完成上述GPS 網中控制測量基線定向解算工作后，可根據GPS 獲取的數據值，進行基線控制網平差數據的處理與檢核，以此作為控制測量精度分析的依據[6]。根據附帶的解算工具Log8.04，進行SYGPS 數據的處理。

分析測量數據的質量，檢查獲取的數據是否符合技術設計規范和要求，并在此基礎上，按照控制測量時間，對當天測量的數據進行基線定向求解。在求解過程中，采用廣播星歷或精密星歷，控制衛星高度測量角宜在10°～20°之間[7]。在相同時間段觀測測量的數據值，篩選剔除率在10%以外的數據，保留其他數據集合，在此之外的數據控制測量點需要重測。同時，在任一時間段內的測量數據均應保持同步測量時間。例如，CPI復核測網時間應大于或等于90min；CPII復核測網時間應大于或等于60min，以此類推。當處理測量數據時發現，測量的時間不在規定范圍內時，此部分數據自動作廢[8]，并且在任意一個時間段內有效的GPS衛星定位數量應大于或等于4個，倘若某一時間段內的控制測量數據的有效衛星數量在4個以內時，可認為該段時間的數據作廢。

當該站控制測量基線的定向控制測量數據完全符合標準的情況下，可按照高速鐵路建設過程中的最小閉環原則，進行全網基線的閉環檢索，并對此種狀態下獲取的數據進行精度檢驗[9]。根據獨立邊觀測數據的閉合差值，精度檢驗可按照公式（4）實施。

在此基礎上，根據不同類型數據集合的特點，布設GPS網布。通常情況下，選擇邊部連接式結構進行基線定向數據的數據核檢，此種核檢方式是綜合了基線與網布的平方差之間的聯系，根據復測邊與圖形的閉合條件，進行觀測網型的選擇。在相同的核檢條件下，此種網布的可靠度更高，更適用于分析高速鐵路控制測量的精度。

4.CPI高速鐵路控制測量數據精度分析

根據上述對高速鐵路控制測量數據的處理與檢核，導出處理后的數據集合，以CPI數據為分析標準，對此精度開展進一步的分析。

按照基線向量的異步環差閉合，遵循《高速鐵路工程測量規范》（以下簡稱《規范》）中提出的相關要求，進行閉合差的精度控制測量條件選擇[10]。公式（5）為精度控制測量應滿足的要求。

在此基礎上，按照《規范》中提出的相關要求，分析不同時間段的控制測量基數是否滿足ds小于或等于重復獲取在不同控制測量時間段內的最大CPI數據值，要求數據值應滿足規范限差的要求，并綜合CPI控制網絡的檢查差值，進行基線重復極差的檢驗。當求解計算在上述提出的精度控制量范圍內時，認為檢驗成果相對可靠，反之需要在此時進行高速鐵路控制測量的平差值計算。

除此之外，根據復測的平差數據值，進行控制測量過程的無約束平差校正。經過基線的定向分量，校正的限制范圍為（Vx～Vs）。同時，控制高速鐵路控制測量過程中與自身向量網適配的數據集合精度，當此時集合中無顯著粗差時，認為此時數據基線的控制測量精度符合數據兼容性要求。綜上所述，通過定向解算GPS 網中控制測量基線、處理高速鐵路控制測量數據，完成對CPI 高速鐵路控制測量數據精度的分析。

5.結語

為提升高速鐵路控制測量數據的精度，本文開展了GPS在高速鐵路控制測量中的精度分析。使用專項數據接收設備，采集高速鐵路建設相關工作產生的數據，并對CPI控制點進行了重復數據檢測。通過分析發現，當下高速鐵路控制測量工作的實施仍存在一些問題，為此在后期的發展中，應加大全球定位系統等相關現代化技術在其中的應用，根據項目對精度的需求，進行基線的定向檢測。若在小范圍內的高速鐵路控制測量工程中，可根據區域地形與地勢，進行邊網的布設，并加大對業內數據的采集力度，以此建設滿足精度要求的基線，進而使控制測量精度達到理想的要求。除此之外，為了進一步提高測量工作的嚴謹性，在測量工作中，可在原有測量點的基礎上，增加周圍點的檢測次數，以求取平均值為工作的基礎，并剔除相關粗差點，以便后期交接工作的順利開展。