GPS在高速铁路加密控制测量中的应用

张国伟 杨学峰

(济南市勘察测绘研究院,山东 济南 250013)

GPS在高速铁路加密控制测量中的应用

张国伟 杨学峰

(济南市勘察测绘研究院,山东 济南 250013)

以哈大铁路客运专线双城段项目为例，介绍了GPS系统在高速铁路控制点加密测量中的应用，并对成果数据作了简要分析，探讨其可行性，可为类似工程提供参考。

GPS，高速铁路，加密控制测量

0 引言

GPS全球定位系统(Global Positioning System)是20世纪后期由美国国防部建立的一套高精度卫星导航和定位系统，它的出现是测量技术的一次革命，其操作起来不仅方便而且精度很高，目前该系统已广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量以及地形测量等各个方面，以下将以哈大铁路客运专线双城段项目为例，介绍GPS系统在高速铁路控制点加密测量中的具体措施，并对成果数据进行分析。

1 工程概况

哈大铁路客运专线双城段的起讫里程为DK842+803.15～DK883+226.24，全长约40 km，跨越吉林和黑龙江两省，沿线有拉林河(吉林和黑龙江两省分界线)、多条高压走廊以及公路，由于是夏天进场，沿线有大量的玉米地、稻田、果园以及农田防护林，地形、地貌极其复杂。由于原设计院布设的控制点(CPⅠ,CPⅡ)距离较远，且由于上面提到的实际地形、地貌原因，相邻点与点之间无法通视，不能满足具体施工放样工作的需要，所以需在既有CPⅠ，CPⅡ控制网的基础上进行加密布设，如果采用传统的全站仪测导线的方法对施工控制网进行加密，测量工作将变得异常艰难，所以根据现有条件考虑用GPS进行施工控制网加密测量。

本项目全线共布设了113个加密控制点，具体施测时联测沿线的11个CPⅠ，26个CPⅡ已知控制点。

2 具体实施情况

2.1 仪器选用

本次加密测设采用了标称精度为3 mm+1 ppm的3台(项目部前期仅采购了3台)大地测量型双频GPS接收机，均为拓扑康Hiper PLUS接收机，安置天线采用三角架和对中精度小于1 mm的光学对中器。作业前对GPS接收机和光学对中器进行了检验校正，全部仪器检验合格。

2.2 选点要求和网型设计

1)选点要求。a.点位应选在视野开阔、交通方便、有利扩展、易于保存的地方；b.点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)，其距离不得小于200 m，并应远离高压输电线其距离不得小于50 m，以避免周围磁场对卫星信号的干扰；c.点位附近不应有对电磁波反射(或吸收)强烈的物体，以减少多路径效应的影响；d.点周围高度角15°以上不要有障碍物,以免信号被遮挡或吸收。

2)网型设计。考虑到已有设备和施工控制网的精度要求以及线路特点，本项目拟采用边连式的带状网型(如图1所示，其为整个网的其中一部分)，其优点为有较多的非同步图形闭合条件，以及大量的重复基线边，因此其几何强度较高，具有良好的自检能力，能够有效发现测量中的粗差，具有较高的可靠性。施测时为了增加检核能力，联测的11个CPⅠ，26个CPⅡ已知控制点，根据路线长度均匀的抽出19个CPⅡ，3个CPⅠ点作为检核测试点，解算时当作未知点处理，解算出的坐标成果与已知成果进行对比。

2.3 观测技术要求

观测前，进行星历预报，精心进行时段设计，避开少于4颗卫星的时间窗口，选择最佳时段，按 GPS C级网的技术要求进行测设，测量的具体观测技术要求为：采用GPS静态相对定位模式进行测量，观测时段长度为:≥60 min；卫星高度角：≥15°；有效卫星总数：≥4颗；时段中任一卫星有效观测时间：≥20 min；观测时段数：1；数据采样间隔：15 s；PDOP或GDOP：≤8。观测前，统一在GPS接收机上配置参数，使参与作业的3台GPS接收机配置的参数相同。作业时天线严格置平对中，对中误差小于1 mm；每个时段观测前、后各量天线高一次，两次较差值小于2 mm，取均值作为最后结果。接收机开始记录数据后，及时将测站名、天线高等信息记录在GPS观测记录表格里。在测量过程中，作业员使用接收机的信号指示灯查看接收机卫星数、电池余量等，作必要记录，并注意及时处理各种特殊情况。

3 数据处理

3.1 基线数据处理

基线处理采用广播星历，计算机软件为TOPCON公司的商用软件Pinnacle。基线解算时进行控制点兼容性、控制网网形测试、重复基线、同步环和异步环闭合差检验，检验标准如下：

同步环闭合差满足：

由若干条独立边组成的闭合环，其闭合差均满足：

重复观测的基线长度较差均满足：

其中，σ为相应等级规定的精度，按环平均边长或基线边长由下式计算：

其中，a为GPS接收机标称精度中的固定误差；b为GPS接收机标称精度中的比例误差系数；d为GPS网中相邻点间的距离；n为闭合环边数。

其具体的测量的精度指标满足表1的要求。

表1 GPS测量的精度指标

基线处理成果均满足上述质量检验标准，符合《客运专线无碴轨道铁路工程测量技术暂行规定》，可以参与后续网平差计算。

3.2 网平差

先进行无约束自由网平差，然后利用已知的7个CPⅡ点、8个CPⅠ点进行固定点约束平差(均匀的分布在整个控制网中)。网平差软件采用TOPCON公司的商用软件Pinnacle，对网平差进行了如下检查：

1)平差后基线残差图：残差分布合理，不存在异常观测值。

2)点位中误差和误差椭圆：误差椭圆大小均匀，点位中误差均满足表2的规范要求。

表2 控制点的定位精度要求 mm

3)所有方位角中误差和边长相对精度满足表3的规范要求。

表3 平面控制网加密测设精度要求

考虑到本测段跨越两个不同的投影带，所以加密平面控制网约束平差应分段进行，即采用铁道第一勘察设计院的分带投影差数分两段进行。

对各段网平差报告统计后得到最弱点为CPⅡ384-4，X中误差为3.2 mm,Y中误差为2.8 mm,点位中误差为4.3 mm。最弱边如表4所示。

表4 最弱边数据表

对于抽出的19个CPⅡ，3个CPⅠ检核点，与已知成果相比较ΔX最大值为6 mm、最小值为0 mm，ΔY最大值为5 mm、最小值为1 mm。

通过以上可以看出加密平面控制网平差结果均满足相应等级控制网精度要求，符合《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》的规定，因此此次加密平面控制网成果是真实可靠的。

4 结语

在高速铁路建设中，像上述工程所遇到的情况肯定是很普遍的，传统的测量方法很难得以实施，但是采用先进的GPS测量技术，问题便迎刃而解。

[1] 徐绍铨，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2006.

[2] 中华人民共和国铁道部.客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定[Z].2006.

[3] 赵吉先.精密工程测量[M].北京：科学出版社,2010.

[4] 林亚斌，王春范，刘继巍.关于增强GPS精密定位的研究与探讨[J].山西建筑，2012，38(14)：235-236.

[5] 张正禄.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2002.

[6] 郭际明,孔祥元.控制测量学[M].武汉：武汉大学出版社,2008.

The application of GPS in the control survey in high-speed railway

ZHANG Guo-wei YANG Xue-feng

(JinanAcademyofSurvey&Mapping,Jinan250013,China)

Taking the project in Shuangcheng section of Harbin-Dalian railway as an example, introduces the application of GPS in the control survey in high-speed railway, and a brief analysis of the data, discuss its feasibility, so as to provide the reference for similar projects.

GPS, high-speed railway, control survey

1009-6825(2014)07-0217-02

2013-12-21

张国伟(1984- ),男,助理工程师,国家注册测绘师; 杨学峰(1977- )，男，工程师,国家注册测绘师

TU198

A