北斗卫星导航系统在高速铁路CPⅠ复测中的应用

金　鸿

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安　710043)

0　引言

高速铁路勘测控制测量主要包括CPⅠ和CPⅡ,其中CPⅠ基础平面控制网主要为勘测设计、施工、运营维护提供坐标基准，按B级GPS网精度要求测量，全线(段)一次布网，统一测量，整体平差。CPⅡ网测量应在CPⅠ网的基础上采用四等导线或C级GPS测量方法施测。CPⅡ控制点的点间距以800 m～1 000 m为宜，离线路中线一般在50 m～100 m，便于施工放线且不易破坏的范围内[1]。

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，可全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并具有短报文通信能力[2]。

截至2017年年底，北斗卫星导航系统由5颗地球静止轨道(GEO)卫星、4颗中远地球轨道(MEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成。该系统于2012年覆盖亚太地区，预计2020年左右覆盖全球，系统将向全球提供高精度、高可靠性的定位、导航和授时以及短报文通信服务。

1　方案制定

选取新建西安至法门寺铁路精密控制测量点共计18个CPⅠ，2017年9月该段的控制成果作为本次比较的依据，本项目采用经过检定合格的GS15接收机按照规范要求进行数据采集。该种类型接收机属于大地测量型接收机，能够同时接收GPS和北斗卫星数据，按照规范要求分别对这些点位进行外业观测，共采用6台接收机进行边连式观测，点位分布如图1所示。

基线解算和平差采用商用LGO 8.4软件和武汉大学研制的COSA软件，具体方案如下：

1)单GPS卫星模式数据处理，比较该结果与设计值的各项指标；

2)单北斗卫星模式数据处理，比较该结果与设计值的各项指标；

3)GPS+北斗卫星模式数据处理，比较该结果与设计值的各项指标。

2　CPⅠ复测精度指标

2.1　复测原则

1)复测采用与原测相同的方法和精度要求，并应满足现行《高速铁路工程测量规范》中的相关规定；

2)复测前检查所有标石的完好性，对丢失和破损的标石按要求进行点位布设、选点、埋石；

3)精测网的复测采用分级测量的原则，即按照分级布网的原则按控制网等级由高到低的顺序进行逐级复测，CPⅠ控制网采用CP0成果或稳定的CPⅠ作为起算基准；

4)复测成果的平面、高程基准与原设计的平面坐标系统和高程基准相同。

2.2　稳定性判定的指标

1)采用GPS方式进行CPⅠ复测，复测成果与原测成果较差需满足表1的规定。

表1　CPⅠ，CPⅡ控制点复测限差要求

(1)

其中，ΔXij=(Xj-Xi)复-(Xj-Xi)原;

ΔYij=(Yj-Yi)复-(Yj-Yi)原;

ΔZij=(Zj-Zi)复-(Zj-Zi)原。

其中，S为相邻点间的二维平面距离或三维空间距离；ΔXij，ΔYij均为相邻点i与j间二维坐标差之差，m；ΔZij为相邻点i与j间Z方向坐标差之差，当只统计二维坐标差之差的相对精度时该值为0。

2)复测成果与原测设计成果较差满足表1要求时，采用原测成果；当较差超限时，查明原因，确认点位发生变动后，采用同精度内插扩展方法更新成果。

3　基线解算

使用LGO 8.4分别对三种方案的模式进行解算，在软件中选择相应模式，即GPS、北斗、GPS和北斗，处理完成后导出基线数据，检查基线计算的准确性(见图2)。

3.1　重复基线较差

导入到COSA软件中，分别统计三种卫星类型解算的基线较差，如表2所示，三种类型卫星模式下基线较差都满足规范要求。

表2　重复基线较差统计

卫星类型基线较差最大值起点终点较差值/mm限差/mm是否合格备注仅GPSXFCPⅠ018XFCPⅠ02112.8126.37是仅北斗XFCPⅠ019XFCPⅠ0229.0618.19是GPS+北斗XFCPⅠ019XFCPⅠ02215.5118.19是

3.2　异步环闭合差

统计三种卫星类型解算的异步环闭合差，如表3所示，三种类型卫星模式下异步环闭合差都满足规范要求。

表3　异步环闭合差统计

4　平差

4.1　三维无约束平差

在基线解算各项指标满足规范要求后，对全网进行三维无约束平差，三维无约束平差结果统计见表4，由表4可知三种卫星模式下三维无约束平差指标满足限差要求。

表4　三维无约束平差统计

4.2　二维约束平差

在进行二维约束平差前，首先按照一定间距选择全网3个CPⅠ点进行稳定性分析，在满足规范要求后，再进行二维约束平差，二维约束平差结果统计见表5。

表5　二维约束平差统计

由表5可知，在进行二维约束平差后，三种模型的各项指标都满足规范要求，且精度相当。

5　三种模型对比分析

采用单GPS模式对控制点的稳定性进行分析，统计结果见表6。

由表6可知，CPⅠ各点坐标较差满足规范要求，坐标差之差的相对精度有两条边超限，需要二次观测确认。

表6　仅GPS模式与设计值比较表

采用单北斗模式和单北斗+GPS方式对控制点的稳定性进行分析，统计结果见表7。

表7　单北斗模式和单北斗+GPS方式与设计值比较统计

由表7可知，仅北斗和北斗+GPS模式下和仅GPS模式一致性较好，所得结论一致。

6　结语

1)仅北斗模式下的数据采集可以满足高速铁路CPⅠ精密控制测量的规范中要求的重复基线较差、同步环闭合差和异步环闭合差等各项限差，可以用于高速铁路CPⅠ控制测量；

2)北斗和GPS卫星兼容性较好，在山区对空观测条件不好、锁定GPS卫星个数不够时，可以采取两种联合的方式进行数据采集，达到相关精度要求。