基于GNSS（北斗）地基增强技术的铁路控制基准研究

蔡德钩，王晓凯，楼梁伟

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

铁路和北斗都是关系国计民生的国家战略行业。

我国高速铁路正处在一个黄金发展期，铁路网络规划的“八纵八横”计划是：到2020年铁路网规模达到15 万km，其中高速铁路3 万km，覆盖全国80%以上的大城市。“人便其行，货畅其流”的建设目标已初步实现。铁路在疏通我国人口资源分布不均，打破地区经济发展不平衡的同时，正逐步推动和促进着相关产业的协同发展。但在位置服务方面，现阶段铁路建设及运营过程中，凡涉及位置、监测、导航等技术领域，一般均采用GPS（美国的全球定位系统），受制于人，安全性和可靠性难以保证。

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，迄今累计发射43颗卫星，已进入全球组网的密集发射阶段。随着系统日益完善，其定位精度和应用范围已经达到产业化要求。在国家军民融合大战略的支持下，北斗系统正逐步广泛地在交通、测绘等关系国计民生的重要行业中应用。

未来几年在国内导航定位位置服务等领域，以北斗系统为主，GPS，GLONASS（俄罗斯的全球卫星导航系统）等系统为辅，最终形成“GNSS（北斗）+行业”的兼容发展模式将是大势所趋。随着我国铁路网发展和北斗构网的步伐加快，研究适合我国铁路行业位置基准和多用户、多元化信息服务的“GNSS（北斗）+铁路”技术势在必行。

1 国内外研究现状

地基增强系统是结合卫星定位、计算机网络、数字通信等多种高新技术多方位深度结合构建的定位系统，是获得高精度卫星定位信息的基础。通过差分技术地基增强站可快速辅助修正卫星信号误差，提供更精确的位置服务。

世界各国竞相发展地基增强系统，以满足各行各业对高精度位置的需求［1］。

在全球约200个GPS连续运行站的基础上组成的GPS 服务IGS（国际GPS 服务）是该项技术的典型范例，它无偿向全球用户提供GPS 的各种信息。由美国大地测量局（NGS）牵头，多部门参建的美国连续运行参考站系统（CORS）约建站点1 900 多个，可以实现局部地区实时厘米级、后处理毫米级的定位服务。该系统的应用既传统又开放：一方面通过明确的政策法规，推荐使用GPS 及GLONASS 导航系统信号；另一方面，积极鼓励各州政府与民众合作共建、共享数据。美国NDGPS 系统（美国联邦铁路管理局、海岸警卫队和联邦公路管理局连续运行参考站系统）和CORS 系统的运行发展较为成熟，但高精度定位应用仍局限于传统领域，尚未彰显其智能化应用［2］。

德国将国内各部门的差分GPS 进行了整合协调，建立了一个长期运行、覆盖全国的多功能差分GPS 定位导航服务SAPOS 系统（德国连续运行参考站系统），并基于该系统实现了德国高速公路不停车收费。该系统建立基站200 个左右，平均间距40 km，构成了德国国家大地测量框架，代表了当今国家级大地测量系统的新概念，但受政治体系差异影响尚未形成覆盖欧洲的增强网，也尚未转化至更多高精度的民用领域中应用。

基于自然灾害频发及灾害的监测需求，日本建设了全球基准站密度最高的地基增强网络COSMOS（日本连续运行参考站系统）。该系统跟踪站平均30 km一个，最密地区约10 km 一个，系统具备实时动态响应能力，可通过发达的通信网络，做到秒级实时响应。应用领域以高精度的地壳运动监测和传统行业为主［3-4］。

早期中国的地基增强系统主要是各省测绘行业建立的区域CORS，各系统独立运营，技术及服务也相对独立。2016年投入运营的国家北斗地基增强系统布设“全国一张网”，实现了统一规划、组网及跨区域服务，同时支持大规模、高并发的基准站及用户接入，突破了行业瓶颈，为各类市场及应用提供更低成本的服务。北斗地基增强系统以基准站为主干，建成具备410 座规模的国家级卫星导航定位基准站网。同时统筹各省级测绘地理信息部门和地震、气象等部门建设的2 300 余座基准站资源，构建了2 700 座站点规模的卫星导航定位基准站网。

2 可行性研究

铁路从勘察设计、施工建设到运营服务过程中始终离不开高精度的位置服务需求。不单独依赖GPS实现位置服务，是铁路系统实现安全自主运营维护的关键。随着北斗导航技术不断成熟，全面采用这项技术再次对传统铁路位置服务产业进行审视势在必行。

北斗的发展首要是解决用户基础的问题，因此发展北斗民用，应当从“北斗+”先行出发。“北斗+”的本质是北斗与其他传统行业的结合，要利用卫星导航技术、大数据融合处理技术、信息通信技术以及互联网物联网平台，让北斗数据应用与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。在我国当下“一带一路”的战略规划及“交通强国、铁路先行”的理念下，紧密结合工程建设与运营服务，完善已建成的北斗地基增强系统已成为铁路、北斗行业协同发展的巨大契机。

2.1 技术可行性

传统高速铁路工程测量平面控制网是在国家控制网或自建框架控制网（CP0）基础上三级布设：基础平面控制网（CPⅠ）每4 km 布设1个，一般在勘察设计的初测阶段建立，主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；线路平面控制网（CPⅡ）每600～800 m 布设1个，宜在勘察设计的定测阶段建立，主要为勘测和施工提供控制基准；在高速铁路线下施工完成后，通过线上加密测量的方式，建立全线加密线路平面控制网（加密CPⅡ），为施工和运营维护提供控制基准；轨道控制网（CPⅢ）每50～70 m 沿线路两侧成对布设，一般在无砟轨道基础结构施工或有砟轨道大机施工阶段建立，主要为施工和运营维护提供控制基准。高速铁路工程测量高程控制网是在国家高程基准的基础或独立高程基准上分二级布设：线路水准基点控制网每2 km布设1个，一般在勘察设计的初测阶段建立，主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；轨道控制网（CPⅢ）与平面控制共点建立。

高速铁路工程测量基准在勘察设计、施工、运营维护这3个阶段的控制网要求必须采用统一的基准，才能达到高速铁路建设高标准的要求，即“三网合一”［5-7］。这是构建高速铁路测量体系的基本原则。高速铁路高速度、高舒适、高安全的建设目标必然要求高平顺、高精度的轨道和线下结构施工，以确保高速铁路严格依据设计几何线形参数运营。因此，施工阶段的测量工作不同于常规工程测量，精度要求会达到毫米级，轨道及轨道板精调施工甚至要求达到亚毫米级的相对精度控制要求。

若没有高精度、长效统一的测量控制基准，会在建设和运营期间产生许多控制不足及基准误导的问题［8-9］。比如：受基准分段不一致影响，实际施工后大半径长曲线实际上变成了许多不同圆曲线的组合；纵断面长坡变成了分段碎坡组合；测量基准受区域沉降影响后误导施工，同时无法获得准确合理的沉降监测结果；高等级控制网在控制桩丢失补桩后给下级控制网带来局部的扭曲；控制网复测后成区段控制基准更新对施工产生影响等等［10］。这些都是高速铁路测量位置基准服务中应重点关注的内容和亟待解决的难题。

国家北斗三号基本系统的建成及在民用领域的广泛推广使得北斗导航技术在铁路行业的应用更加可行，国家自然资源部的整合更加有利于各行业、各部门规范、便捷地使用位置基准服务。2000年国家铁路智能运输系统工程技术研究中心提出的铁路智能运输系统（RITS）发展理念更是和北斗导航技术的发展相得益彰。因此，以GNSS（北斗）地基增强技术为铁路行业基础，高效综合利用铁路所有移动装备、固定设施、空间、时间、人力、物力等资源实现铁路勘察设计、建设、运营全过程、全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更加安全可靠、更加经济高效、更加温馨舒适、更加方便快捷、更加节能环保的新一代铁路运输系统势在必行。

铁路平面控制基准的主要目的是为了满足轨道的轨向平顺性控制要求，因此利用轨向的施工验收标准可反算控制基准精度需求。假定起算点为P1，取30 m（或48a，a=0.625 m）弦线，按间距5 m（或8a）均分，得到6 个子区段。每个子区段包含m个检测点（不含尾点，m为2 的指数幂，是指实际测量结果对应里程点数，一般m≥8），假定m＝8（图1），则有P1，P2，…，P49共计 49 个里程点。具体评价方法如下：P1，P9，P17，P25，P33，P41构成第1 组评价点（点间隔5 m，下同），P2，P10，P18，P26，P34，P42构成第 2 组评价点；以此类推，直到P8，P16，P24，P32，P40，P48构成第m（m=8）组评价点，完成本30 m（或48a）弦段评价。按照0.625 m（或a）的重叠区段长度，下一评价段自P48起至P96，重复按相同的方法确定评价组。

图1 30 m（或48a）弦长轨道平顺性检测点分布示意

具体评价方法示例如下：

P25与P33间的轨向Δh检测计算式为

根据协方差m的传播定律，可得

根据式（1）分析：采用30 m（48a）弦长，检测间隔5 m（或8a）的两相邻检测点的实际矢距差与设计矢距差的差值要求小于2 mm；采用300 m（480a）弦长，检测间隔50 m 的两相邻检测点的实际矢距差与设计矢距差的差值要求小于10 mm。这样的分级是符合当前工业检测及测绘技术水准的。2 mm 以下高精度检测（如轨距变化率、水平超高变化率等）采用常规测绘技术无法实现，只能依赖于高精度的位移、倾斜传感器（轨道检测小车内置安装）；轨道短波控制2 mm/8a的轨道精调要求一般依赖于高精度全站仪自由测站边角交会测量，目前受限于卫星定位技术的精度及成本，在时速160 km 及以上铁路没有显著的经济效益基础支持，尤其是无砟轨道受限于精密道床施工及扣件调整余量必须采用CPⅢ测量配合工业精调设备实现；而长波控制依赖的线路基础平面控制网CPⅠ和线路控制网CPⅡ采用GNSS 实现控制的技术路线早已成熟，因此可以采用基于GNSS（北斗）地基增强的新技术予以实现。

基于上述分析，可设定如下的技术实现路线。

1）高精度铁路北斗动态框架控制网

铁路北斗框架控制网宜在铁路初测阶段布设，应当尽量利用已经建设完成的国家或地区级地基增强站进行控制设计，位置或间距不满足要求时应参考规范CP0 要求每50 km 设置1 座。框架控制网建设完成后，通过将基准站网定期自动地与国家永久跟踪站及国际IGS跟踪站进行定期、自动联合解算，确定基准站在全球框架中的位置变化。通过站间相对位置变化的周解、月解、季解检测分析各基准站稳定性并确定数据更新机制，从而建立铁路沿线的永久性动态地心坐标框架。高精度铁路北斗动态框架控制网可达到水平分量2 mm/a；垂直分量2 mm/a，站间相对精度1.0×10-8的框架控制精度。在一定区域范围内实现基于GNSS（北斗）地基增强技术的铁路工程基准应用必然面向大规模的GNSS 基准站网，目前国内铁路系统尚无成熟系统可供借鉴［11］。铁路线状工程的特色有利于疏通连续运行站区域服务功能，打通目前地、市块状区域服务的壁垒，但规模化意味着网内基站数目的激增、覆盖地域跨度成倍扩大和更多用户需求的特色化、多样化。因此推进北斗导航技术在铁路行业全方位应用，必须进一步研究铁路系统内大规模站的集成优化及其与地区级、国家级连续运行站的数据处理、共享和服务模式［12］。

2）铁路北斗地基增强控制网

在铁路北斗动态框架控制网的基础上沿线建立铁路北斗地基增强控制网，需实现控制网的唯一性、合理性、时效性和同传统控制网的精度评定衔接。卫星定位技术会产生坐标系统内部的多值和小幅度的不稳定。德国联邦铁路在其所有与轨道技术有关的应用中采用统一单值的参考系DB_REF（德铁参考框架）。它基于德国土地测量管理部门的欧洲大陆参考框 架 ETRF89（European Terrestrial Reference Frame 1989）建立，具有参考意义和实用价值。对于涉及铁路建设具体范围内的高精度需求，单值的控制网才是最理想的基准。因此对于每条独立建设的铁路工程均需研发一个同一参考系、同一大地测量基准、指定区域内固定的坐标转换模型，使铁路北斗地基增强控制网成为单值控制系统并可随时准确地进行相互转换才会具有实际的应用价值。坐标转换过程中标准数据格式的统一和系统内数据服务的无缝连接，其实质也是铁路线路平面坐标的无缝连接，所以应当同时研究基于线路框架控制下的GNSS（北斗）分带控制网自动维护更新机制。

精度控制要求方面，现行高速铁路工程测量规范中对于线上加密卫星定位控制网的要求是相邻点相对中误差不超过8 mm，基线边方向中误差不超过1.7″，最弱边不超过1/100 000 的要求。而北斗地基增强控制网连续运行观测精度将较大幅度提高，在实现坐标基准维护功能时，受约束控制、投影变形、坐标唯一影响可按照国家B级精度控制网进行精度估算。

取相邻点基线水平分量中误差m基线=5 mm，仪器精度m固定=5 mm，m比例=1.0×10-6mm/km，按设置间距S=1 km估算相对精度，

或

式中：m相对为基线边相对中误差；mα为基线边方向中误差；ρ″=206 265″。

可见，按每公里设置连续运行观测站，为无砟轨道控制网提供实时自动化的联测需求在精度上是满足需求的，但每公里的设置间距会导致轨道控制网自由测站联测已知点边长变长，这样的影响尚需进一步试验研究［13］。铁路线路的平顺性与控制测量有一定的关系，但对于某段线路现场实际状态，平顺度仅是一种局部误差，用大地测量的方法不易达到；同时受局部平顺度位置误差积累和扩大的影响，必然要采用基准逐级控制的方法。因此任何GNSS 大地测量的技术仅可局限于解决轨道外部几何参数控制，整条铁路线路的平顺仍需配合高精度轨道检查仪完成。

3）160 km 以下有砟铁路及既有线提速改造不受线下结构精度控制的影响，可采用“BGNSS（北斗）地基增强系统+惯导轨道检测仪+大型养路机械”的方式直接实现轨道的大型养路机械施工及后期运营维护。

现阶段轨道施工采用的最优设备为轨道检测小车。其检测精度要求可分为2 类：①获取小车棱镜在铁路线路的绝对位置坐标；②利用精度更高的倾斜传感器、位移传感器获取检测部位的轨距和水平值（区段轨向、高低和扭曲的不平顺可以计算获得）。鉴于传感器精度可达亚毫米级，因此对于该项技术的实现关键在于对惯导小车的航迹解算精度［14］。

设M为轨道安装后位置误差要求，m1为地基增强站控制引起误差，m2为轨道施工安装误差，则

显然m1＜m2，故m1/m2＜1。将式（6）的二项式展开为级数，并略去高次项，则

为使轨道施工安装误差不受地基增强站控制误差影响，需使地基增强站控制误差不超过轨道施工误差的10%，即

可得

代入式（7），可得m1≈0.4M。

由此可见，采用“北斗+惯导小车”的航迹控制精度应当控制在轨道安装绝对位置要求的0.4 倍，即不超过4 mm。这样可以满足时速160 km 以下有砟铁路的轨道大型养路机械施工要求。

2.2 经济可行性

传统铁路控制网点位布设与线路两侧基础薄弱区域，易受施工及地表沉降影响，在复测不及时的情况下会导致设计、建造目的与控制基准脱节。而BGNSS（北斗）地基增强技术连续运行且自动化维护会避免这方面的问题。严密、合理的前期设计能更加精确地实现铁路勘察设计、施工建设和运营维护“三网合一”的测量要求。但铁路路基、桥梁未成型前连续运行站无布设基础条件，若建立在线下则后期不利于维护也无法与线上轨道控制网顺利衔接。因此使用该项技术过程中应当根据工程区域国家级站点分布及线路方案稳定情况确定是在定测阶段实施还是线下工程完成后实施。以时速250 km 以上高速铁路线路里程100 km 精密控制测量为例，比较传统技术与新技术经济指标，结果见表1。

由表1初步估算，该项技术实施前期会因大量GNSS（北斗）连续运行站、数据处理软件、数据集发中心等的投入，使常规铁路测量费用较大幅度增加。但该方法属于“一次投入、终身受益”，在后续的运营维护阶段仅需投入较少设备维护费即可提供更加实时精确的测量控制及形变监测服务［15］。随着国产设备及技术的更新和发展，成本会进一步降低；随着项目盈利与成本的抵消，会产生较大的经济和社会效益。

表1 传统技术与新技术经济指标比较

3 结论

北斗导航系统起步至今时间尚短，远不如GPS 的20 多年时间，在市场占有率和多模导航芯片制造上远不及GPS。但相比较其他两大卫星导航系统来说，北斗系统仍有不小优势，且为我国自主控制，安全性能有保障。在逐步应用中形成北斗与行业相互适应、相互促进发展的有利态势，有利于北斗技术及装备制造的发展，更有利于铁路行业测绘基准及自动化作业程度的提高。通过对该项技术的分析，可以得出如下结论：

1）GNSS（北斗）地基增强技术能够实现不同量级的高精度定位，满足铁路建设需求，可为铁路建设提供全天候、快速、准确、可靠的高精度定位服务，并为铁路勘测设计、施工建设和运营维护实现“三网合一”提供最稳定的基础支撑。

2）在设计阶段必须依据线路具体情况确定观测站建设方式，条件成熟的线路可以选择定测阶段建站，线下施工完成后成段组织迁站的方式；存在困难时可以选择前期采用传统模式建网，线下施工完成后分段建站的方式。

3）在提供位置基准服务的基础上，采用该项技术时应当在设计阶段确定后期智能应用的方向、形式、深度及应用接口设计。例如：“北斗+BIM”实现高精度施工工艺设计；“北斗+全站仪自由测站”建立轨道控制网；“北斗基准+水准或传感器”实现铁路构筑物自动化监测；“北斗+惯导小车”快速实现轨道状态检查；“北斗+三维激光扫描”快速建立铁路环境仿真场景；北斗数字化施工；北斗智能运营维护管理等。

GNSS（北斗）地基增强技术作为一种位置基础服务技术，在增强站建设完成后，一系列的拓展衍生技术将大有可为。打通应用环节才能使新技术更加具有生命力，充分发挥其自动化、信息化、智能化的应用特点。做好这些技术的研究应用推广必将使北斗技术成为我国铁路系统大数据战略的基础支撑、铁路管理信息化的重要手段以及实现“智能铁路”的重要保障。