北斗定位技術在高速鐵路沉降變形監測中的應用

田孟磊

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611700）

1 北斗定位技術

隨著衛星高精度定位技術的發展和各類通信設備的更新，高速鐵路設施變形的非接觸和實時監測難題迎來新的化解點。我國自主獨立研發運行的北斗衛星導航系統（BDS）能夠為全球用戶提供動態全天候的定位、導航及授時服務，現階段北斗二號系統服務范圍已覆蓋亞太地區。基于此，北斗高定位技術在不同領域都得到了廣泛應用，在高速鐵路沉降變形監測作業中，北斗高精度定位技術受現場環境干擾較小，可連續動態追蹤監測點的沉降位移變化。

2 北斗變形監測系統

北斗定位技術通過北斗衛星實現定位，利用北斗衛星接收和發送信息，精確測算已知位置與地面接收機的距離，同時通過多個衛星確定監測點位置信息，獲得精確的空間坐標。相較于傳統定位技術，北斗高精度定位技術的基本原理為選擇一臺靜止的北斗設備，將其作為基準點，同時在測試點位置布置北斗接收機，將其作為監測點，應用載波相位信息和載波相位差分技術，消除來自衛星、接收機及電離層信號延遲等因素的誤差，控制各個監測點檢測數據的精度，實現毫米級的高精度測量。

北斗變形監測系統由4大部分構成，具體包括北斗接收機和天線、數據傳輸模塊、太陽能供電系統以及數據處理中心。北斗變形監測系統作業流程為北斗接收機負責獲取一手觀測數據，數據傳輸模塊通過4G和寬帶衛星等方式，將收集的原始觀測數據傳輸到云服務器，由云服務器數據處理中心負責數據處理，最后獲得監測點準確空間坐標信息。

3 高速鐵路沉降變形監測試驗

3.1 工程概況

某高速鐵路為國鐵Ⅰ級、客貨共線、雙線電氣化有砟軌道線路，設計速度250 km/h，列車初期運營速度200 km/h。高速鐵路工程投入運行使用后發現，局部路段存在沉降，不均勻沉降病害總長為5.3 km，集中出現在兩處跨江橋梁段及中間區間路段位置。在該高速公路沉降變形監測中應用水準測量技術，截至2017年12月，兩處跨江橋梁段最大沉降量約160 mm，中間的區間路基周邊地表最大沉降量約為60 mm，沿線構筑物最大沉降量約為120 mm。

3.2 北斗定位的精度驗證試驗

影響高速鐵路沉降變形監測作業的因素較多，其場干擾因素是主要影響因素之一，如接觸網27.5 kV高壓線的存在會降低北斗定位精度，導致測量誤差的出現。為了消除現場干擾因素對北斗高精度定位作業的影響，選擇在中間的區間路基段沿線、周邊場地視野開闊、土質堅硬及受人為因素影響較小的位置布置測試點，并在布設過程中應保持測試點與基準點相距350 m。根據北斗高精度定位技術在高速鐵路線下工程中的監測經驗，可在北斗接收機底部位置增設高程可調節的支座，便于對比北斗測試點位移情況與高速鐵路工程中路基實際的位移。

3.3 變形監測試驗方案

為了保證垂直位移的精度，降低基線長度對北斗定位技術的影響，需要編制科學完善的變形監測試驗方案，將基線長度控制在5 km范圍內。在全面考察該高速鐵路工程、線路結構和分析鐵路的前期監測數據的基礎上，擬在中間區段沿線路縱向布設8個監測點，各監測點布置間距500～1 000 m，兩處跨橋梁段共布置6個監測點，監測點位為BDS1、BDS2、BDS3、BDS4、BDS7、BDS8，中間區間路基段布設2個監測點，點位為BDS5、BDS6。

安裝北斗變形監測系統過程中，不可影響高速鐵路線路正常進行運維作業，保證北斗變形監測系統的安裝質量，避免列車運行過程中搖晃和碰撞北斗變形監測系統。根據出現不均勻沉降病害的位置布置北斗變形監測系統，在兩處跨江橋梁段布設北斗接收機和數據采集儀時，應保證作業的安全性，選擇在橋梁護欄處布置監測設備，同時用膨脹螺絲將接收機、采集儀及太陽能供電系統等設施緊固在橋梁擋砟墻外側。

在中間的區間路基段按照北斗變形監測系統時，應在路基兩級邊坡平臺位置布設北斗接收機和數據采集儀，將太陽能供電系統布設在路基斜坡邊墻外側，增設防護罩，避免太陽能供電系統損壞[1]。

主要的北斗變形監測系統的數據傳輸方式有兩種，即4G和寬帶衛星（LoRa）。兩種數據傳輸方式應用的環境有所區別，4G數據傳輸應用于有通信信號覆蓋的區域，LoRa主要應用于其他無通信信號覆蓋的區域，保證北斗測量數據能夠在任何環境下進行傳輸。

4 試驗數據分析

4.1 北斗定位精度試驗數據分析

嚴格根據北斗變形監測系統試驗方案落實布置試驗點，對試驗點進行連續測量，測量結果如表1所示。

表1 北斗定位精度試驗結果

北斗定位精度試驗結果顯示，受到天氣變化的影響，北斗設備測量的豎直位移與實際調整位移差絕對差值變動范圍為0.6～3 mm。在臺風天氣的影響下，測量誤差較大，分別達到了3.0 mm和2.4 mm，總體與北斗定位技術標定豎直位移精度（±3 mm）吻合。由此可知，在貫徹落實高速鐵路長期沉降變形監測中，應關注臺風天氣，控制臺風天氣產生的測量誤差，識別處理異常值[2]。

4.2 沉降變形監測試驗數據分析

考慮監測過程中受到的氣候因素的影響，北斗變形監測系統多次面對臺風及強降雨等災害天氣，沉降變形監測試驗開展時間共60 d，北斗變形監測系統運行情況較為穩定，數據無明顯異常。

收集8個監測點監測數據，并取5～6組互差＜5 mm的測量值，計算平均值，將平均值設計為初始值，繪制8個監測點的沉降變化曲線。

由沉降變化曲線可知，在實施監測過程中，8個監測點沉降變形幅度較小，沉降量變動速度較為緩慢，累計沉降量較小。對比分析8個監測點的沉降變化曲線可知，基線長度不同，沉降變化波動幅度也不同，基線長度越長，沉降變化波動幅度越大。

在8個沉降變形監測點中，跨江橋梁段處監測點BSD1的基線長度中最長，對應的沉降變化的波動幅度最大；路基段監測點BDS5基線最短，對應的沉降變化的幅度最小，變化范圍為-0.6～2.3 mm。

按照監測點與基準點間的距離，計算測量誤差：

式中：n——觀測值個數；Δi——第i個觀測值誤差。

根據計算公式，明確觀測值，測算不同基線長度下的測量誤差，分別確定8個監測點在北斗變形監測系統中的測量誤差，并進行擬合。

繪制測量中，誤差與基線長度的擬合直線如圖1所示。

圖1 測量中誤差與基線長度的擬合直線

由圖1可知，基線長度會影響北斗變形監測系統的測量誤差，兩者的關系為正比例增長，相關系數為0.9。按照鐵總運〔2015〕60號《高速鐵路路基修理規則》等文件的明確規定，應嚴格控制高速鐵路變形測量誤差，保證沉降變形監測作業的精確性和科學性。因此應控制基線長度，不得超出3 km（若精度要求較高基線長度應保持在1 km以內），嚴格按照有砟軌道路基工后沉降控制標準實施作業，保證北斗變形監測精度。

有砟軌道路基工后沉降控制標準詳情如表2所示。

表2 路基工后沉降控制標準

5 結語

綜上所述，在高速鐵路沉降變形監測工作中，接觸網高壓線對北斗變形監測系統的影響可忽略不計，應重點關注臺風等特殊天氣對電離層的影響，區別處理測量異常值。基線長度會直接影響北斗變形監測系統的測量誤差，兩者關系為正相關，相關系數為0.9，應嚴格控制基線長度，保證監測作業符合相關技術要求。