浅谈GPS在高等铁路平面控制测量中的应用

黄军侠

GPS是英文缩写词“NAVSTAR/GPS”的简称,全名是“NAV-igation System Timeing And Ranging/Global Positioning System” ,即“授时与测距的导航系统/全球定位系统”。随着GPS系统的发展,GPS以其全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能已经广泛的应用于测绘各个领域。

随着国家对铁路等基础设施的投入,铁路建设进入了大发展时期,特别是高等级铁路技术的应用,对测绘技术的要求更高,传统的测绘仪器已经不能满足现在的要求,因此GPS技术在高等铁路平面控制测量中得到了广泛的应用。

高等铁路测量主要应用了GPS静态测量和RTK技术。静态测量主要用于平面控制网的测量,RTK主要用于实地放线。本文结合某高等铁路平面控制网的测量说明GPS在静态测量的具体应用。

1 测量原理

GPS系统是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统用户不但可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;而且还可以进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。它由三大部分组成：空间部分—GPS卫星、地面控制部分—地面监控系统、用户设备部分—GPS信号接收机;在GPS定位中,空间部分的GPS卫星发射测距信号和导航电文(导航电文中含有卫星的位置信息),用户用GPS接收机在某一时刻同时接收3颗以上的GPS卫星信号,测量出测站点(接收机天线中心)至3颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标,据此利用距离交会法解算出测站的位置。

2 平面控制测量

2.1 线路平面控制网的布设

根据规范要求,高等铁路控制测量平面控制网按分级布网的原则分四级布设,第一级为GPS基站网,第二级为基础平面控制网(CPⅠ),第三级为线路控制网(CPⅡ),第四级为基桩控制网(CPⅢ)。本文以基础平面控制网的测量为例来说明GPS在高等铁路平面控制测量中的应用。

基础平面控制网(CPⅠ)在第一级基站点的基础上,按 3 km～4 km布设一个或一对通视点,若成对布设其通视边长以800 m～1 000 m为宜。本线暂按单点进行布设,特殊工点(特大桥和隧道进出口)按照点对进行布设,全线共布设约92个CPⅠ控制点。CPⅠ测量以四边形构网,按边联式带状布网。

CPⅠ点位应便于安置GPS接收机,周围视野开阔,便于 GPS卫星信号的接收。其要求：点位要尽量选择在四周开阔的区域,在地面高度角15°内不应有成片的障碍物;点位应选择在交通方便,且利于安全作业的地方;点位附近不应有大面积水域或其他强烈干扰卫星信号接收的物体(如金属广告牌等);点位需远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等),远离高压输电线,其距离均不得小于200 m。

2.2 平面控制网的施测

GPS作业时2个时段天线定向标志线应分别指向正北和正南;每个时段观测前、后各量天线高一次,两次较差值小于2 mm,取均值作为最后成果。

观测过程中不得在天线附近50 m以内使用电台,10 m以内使用对讲机;在一时段观测过程中不允许进行以下操作：接收机关闭又重新启动,进行自测试,改变卫星仰角限,改变数据采样间隔,按动关闭文件和删除文件等功能。同时观测记录气象元素。

基础平面控制网(CPⅠ)观测技术按照《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》B级执行。观测按照四边形构网,两个时段连续观测,第二个时段应变换仪器高并将天线定向标志指向转180°。按跳跃式迁站,即在地形及人员调配有利于提高工作效率的前提下,前进方向两台仪器不动(但要变换仪器高),另外两台跳到前进方向下一对点进行同步观测。

因施工工期要求,全线不可能统一进行CPⅠ控制网的整体平差,而只能分段进行测量、平差、提供成果供后续工作使用。为了保证各段之间的顺接,一般要求每个测量段落不能短于4 km,并且要求上下接头段落应重叠测量2对CPⅠ点。本段采用4台Trimble R8双频接收机观测。

在开工前及作业过程中,按照有关规定对仪器进行常规检校。观测中应保证接收机工作正常,数据记录正确,每日观测结束后,应及时将数据转存至计算机硬盘上,以确保观测数据不丢失。行基线解算,并通过TGO软件进行基线检核,两套软件解算的基线平差后坐标绝对值较差最大值DX=0.009 5 m,DY=0.008 2 m,符合规范要求。重复基线及环闭合差检验满足表1要求。

复测基线及异步环满足要求后,采用同济大学测量系的TGPPS Win32软件进行无约束网平差计算。对观测值后验中误差、残差、标准残差进行统计分析,剔除有粗差和明显的系统误差,同时考察网的内符合精度,从网平差报告来看,CPⅠ网无约束平差基线向量改正数最大值VX=4.8 mm,VY=-5.7 mm,VZ=7.0 mm,分别小于16.3 mm,17.5 mm,25.5 mm的限差。基线向量网内符合精度很高,基线向量网的质量十分可靠。最后采用TGPPS Win32软件进行整体平差,起算数据为GPS基站网的空间直角坐标(X,Y,Z),三维固定。CPⅠ控制点平差后点位误差Mp最大值为4.5mm,小于±10 mm的限差;相对点位精度3.92 mm,小于15.68 mm的限差;最弱边相对中误差最大为1/3 076 251,小于1/170 000的限差,满足规范要求。

从上述所统计的各项误差与限差比较可知,GPS网的精度非常高,符合规范要求。在高等铁路测量中,GPS静态技术提高了作业效率,快速高效的完成了平面控制网的测量,各项技术指标均达到规范要求,保证了外业勘测工作的顺利完成。

4 结语

表1 基线质量检验限差表

3 数据处理及精度分析

观测完毕后对所有观测数据进行复核,点号、天线量高方式、天线高等数据无误后进行基线解算。基线向量解算采用广播星历和商用软件,为保证数据的一致性,统一采用商用软件LGO进

GPS应用发展势头迅猛,在我国的应用已从少数科研单位和军用部门迅速扩展到各个民用领域,GPS的广泛应用改变了人们的工作方式,提高了工作效率,带来了巨大的经济效益。可以说,GPS在我国的应用前景是无限的。

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