北斗导航卫星系统在高速铁路精密控制测量中应用研究及精度分析

梁　永

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Application and Accuracy Analysis of the Beidou Navigation Satellite System in High-speed Railway Precise Control Survey

LIANG Yong

北斗导航卫星系统在高速铁路精密控制测量中应用研究及精度分析

梁永

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Application and Accuracy Analysis of the Beidou Navigation Satellite System in High-speed Railway Precise Control Survey

LIANG Yong

摘要以京沈客运专线CPI级精密控制测量为例，对北斗卫星导航系统应用于铁路精密控制测量进行试验。在CPI控制网重复基线、异步环闭合差、坐标重复性、相邻点坐标差之差、相对精度等方面，北斗系统与GPS对比分析结果表明：北斗静态相对定位测量的平面精度可以满足CPI的精度要求，与GPS定位精度相当，说明北斗导航系统应用于高铁精密控制测量可行。

关键词北斗导航系统高速铁路控制测量精度分析

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigaition Satellite System，简称BDS)是我国继美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO之后正在实施的全球卫星导航系统。截止2012年底，BDS在轨工作卫星有14颗，包括5颗GEO卫星、5颗IGSO卫星和4颗MEO卫星，构成5GEO+5IGSO+4MEO的星座结构。每颗北斗卫星都发射3个频率的载波信号用于导航，每个载波信号均有正交调制的普通测距码，以不同地址码CDMA区分卫星，定位原理基本同GPS。BDS致力于满足国家安全和经济社会发展对卫星导航的需求，促进国家信息化建设和经济发展方式转变，实现卫星导航产业的社会效益和经济效益。

目前我国在铁路勘测领域主要利用GPS定位技术进行线路控制测量、中线放样测量及其他测量工作。GPS受美国政策的影响，在一定程度上存在安全风险，如果在非常时期美国限制某些地区卫星导航定位使用，会导致终端GPS用户无法正常使用该系统，从而会给铁路勘测工作带来不便。而BDS的自主性保证了在我国重大基础设施工程中的国家和社会安全，可摆脱长期以来只应用GPS定位测量的局面。目前，完全应用BDS进行高铁精密控制测量项目还没有开展。因此，重点对BDS进行铁路精密控制测量进行试验，对定位精度进行分析，研究其在高铁精密控制测量的可行性。

1精密控制测量试验方案

本次试验采用国产南方S86接收机，首先通过与美国天宝R8接收机相位测量结果对比分析，来检验南方S86接收机的性能和可靠性；结合在建京沈客专精密控制测量项目，采用BDS进行高铁CPI级(二等)控制网测量试验，并与GPS定位结果进行对比分析。

1.1　试验选取的点位基本要求

①对空通视条件良好，使用GNSS接收机观测的点位便于安置仪器，周围视野开阔，对天通视情况良好，高度角15°以上无障碍物阻挡卫星信号；

②远离高于安置天线高度的树木、建筑物等阻挡卫星信号的障碍物；

③避免电磁场对GPS卫星信号的干扰，点位远离大功率无线电发射源、高压输电线；

④在点位附近无大面积水域，以避免多路径效应的影响。

GNSS测量基本技术要求见表1。

1.2　数据分析

通过南方S86与天宝R8接收机基线解算数据对比分析，验证南方S86接收机的性能。

潘国文曾说“中国人善形象思维，西方人善逻辑思维”，其中，形象思维就是我们常说的具体思维，而逻辑思维即抽象思维。由此看来，汉民族更注重具体思维，而西方民族更倾向于抽象思维。

验证BDS、BDS+GPS组合定位是否满足高铁平面控制测量精度要求。

CPI坐标成果重复性检验满足：Δx，Δy≤20mm；

相邻点坐标差之差相对精度满足1/130 000；

2南方S86接收机测量可靠性检验

试验时，采用4台带有BDS的南方S86接收机和4台天宝R8接收机，同步观测CPI点，对南方S86接收机的性能进行检验。试验时为了减小对中误差对定位成果的影响，采取如下措施：选择稳定性好的三脚架，不同的天线类型测量时均采用相同的基座，在更换天线时保持三脚架和基座不动，具体外业测量按高铁CPI测量技术要求实施。

(1)对南方S86接收机分别采用GPS、BDS进行基线解算，然后进行重复基线比较，如表2、表3。

从表2、表3中看出，采用南方S86接收机的GPS和BDS载波相位观测值分别解算基线，重复基线向量分量和基线长度较差均满足高铁规范二等精度要求。

为检验S86接收机测量性能和可靠性，将南方S86和天宝R8两种接收机均采用GPS信号数据进行基线解算，然后进行重复基线比较，见表4。

从表4中看出，天宝R8接收机与南方S86接收机载波相位观测值基线解算，其重复基线较差均满足高铁二等(CPI)精度要求。两种天线的重复基线向量分量和基线长度较差较小，满足精度要求，说明南方S86与天宝R8接收机其GPS载波相位测量精度相当，南方S86接收机性能和测量精度可以保证。

3CPI级控制网精密控制测量试验

为了进一步测试北斗系统是否可以进行高铁精密控制测量可行性，在京沈客专CPI(二等)测量项目中，采用4台南方S86接收机进行同步观测，同时接收BDS和GPS双星数据，连续测设30 km的8个CPI点(相邻点间距约4 km左右)，控制点网形图见图1。

3.1　CPI控制网重复基线比较

通过数据预处理，分别采用BDS和GPS数据进行CPI基线解算，对重复基线进行比较分析，见表5～表7。

从表5看出，不同时段的BDS基线向量分量较差和重复基线较差均满足高铁二等精度要求。

从表6看出，分别采用BDS和GPS载波相位进行基线解算，其重复基线向量分量和长度较差满足高铁二等测量精度要求。

BDS和GPS系统组合定位基线解算，其重复基线坐标分量、长度较差均很小，满足规范高铁平面控制测量二等精度要求。同时从上述比较分析中得出，BDS+GPS系统组合定位精度与单GPS系统定位精度相当，比单BDS定位精度稳定。

3.2　BDS基线异步环闭合差统计

BDS基线解算完成后，选取独立基线组成异步环，对异步环闭合差统计，见表8。

从表8看出，BDS基线解组成的异步环闭合差全部满足高铁二等精度要求。

3.3　CPI平面坐标重复性检验

基线质量检核完成后，进行无约束平差和约束平差，向量改正数、同名基线向量改正数较差、方向中误差都满足规范要求后，对BDS坐标与GPS坐标进行比较，并对相邻点坐标差之差相对精度进行统计，见表9、表10。

对BDS定位坐标进行重复性检验，不论是BDS系统间坐标比较，还是BDS与GPS坐标比较，均满足高铁CPI坐标差±20 mm的精度要求，相邻点坐标差之差相对精度均优于1/130 000精度要求。

参考文献

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中图分类号：P228； P207

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)05-0001-03

作者简介：梁永(1979—)，男，硕士，高级工程师。

收稿日期：2015-07-23