严寒地区铁路运营期路基BDS 远程变形监测

张云龙

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

随着我国铁路建设的不断发展，穿越季节性冻土区的铁路数量及列车运行速度不断提高，受到温度、列车振动等因素的影响，严寒地区冻土路基会产生沉降和冻胀等不均匀变形，对列车运行安全性、舒适性构成严重威胁。 为了实时掌握严寒地区冻土路基的不均匀形变，需要研究能够在低温环境(-29 ℃)下可靠工作的长期实时在线监测系统，从而为严寒地区铁路安全运营提供技术保障[1-2]。

在严寒地区，全站仪、水准仪等光学仪器易受温度、降雪、上线困难等因素影响，传统的人工测量方法难以满足路基监测时效性和精度要求[3-4]；合成孔径雷达差分干涉测量技术虽具有全天候、监测区域大、时空分辨率高等优点，但其不能实现连续监测，精度也不能满足要求[5]；GNSS 技术能够实现近实时、连续、全天候监测路基变形，但存在监测成本过高等缺点[6-9]。

随着我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)全球组网完成，BDS 的定位性能已可与GPS 媲美，具备了在严寒地区铁路运营期路基长期监测的技术条件[10-13]。 因此，采用自主研制BDS监测专用接收机，并设计严寒地区铁路运营期路基BDS 远程变形监测系统，通过附加路基变形特征约束提高模糊度搜索效率和固定成功率，利用自适应抗差卡尔曼滤波算法，设计开发基于北斗的自动监测系统，实现哈佳快速铁路路基变形的精确监测。

1 路基BDS 远程监测系统

严寒地区路基监测系统需要兼顾低功耗、低成本、高精度、低温适应性和长期稳定性等要求，故研发了一套路基BDS 远程监测系统，其整体架构见图1。 基准站和监测站同步采集BDS B1 频率观测数据，通过GPRS 无线网络自动传输给控制中心。 控制中心采用中国铁路设计集团有限公司测绘院自主研发的北斗高精度数据处理软件BDMonitor V1.0，并可以在铁路(城轨)综合监测检测系统中实时发布。

1.1 硬件系统

低成本、低功耗BDS 芯片的出现，为自主研发BDS 监测专用接收机奠定了基础。 区别于传统测地型接收机，BDS 监测专用接收机内置数据传输、存储模块，可以实现数据定时上传以降低功耗，主要包括数据采集模块、数据传输模块和系统控制模块。

(1)数据采集模块

由U-blox NEO-M8T 模块和BDS 天线(TDXLGGBA7I01)集成实现，具有并行的GNSS 引擎，可以用于接收BDS、GPS、GLONASS 和QZSS 信号，同时还能为其他传感器提供时间标准。

(2)无线传输模块

采用TR800 无线传输模块，用于BDS 原始观测数据的传输，支持四个频段(GSM 850/EGSM 900/DC 1800/PCS 1900)，工作电压为 3 ～5.5 V，功耗极低，适合电池供电应用。 另外，TR800 内置 TCP/IP 协议，简化了数据传输，同时它还具有很好的可靠性和稳定性，非常适合完成系统的数据无线传输功能。

(3)系统控制模块

采用MSP430F5438A 微控制器(TEXAS Instruments)，用于BDS 原始观测数据和传感器系统的整体控制，同时集成3GB 微型SD 卡用于数据存储。 控制中心向系统控制模块发送指令，控制BDS 原始观测数据的存储及定时上传。

图1 路基BDS 远程监测系统整体架构

1.2 数据处理系统

控制中心服务器配置BDMonitor V1.0 软件，该软件集成了基于改进部分模糊度算法和自适应卡尔曼滤波模块，可以实现BDS 原始观测数据高精度基线网平差解算，见图2。

图2 北斗高精度数据处理软件

1.3 数据发布系统

数据发布系统主要包括数据入库、实时显示、查询，报警信息发送、查询、报表生成功能，为相关人员管理监测数据提供B/S 架构平台，见图3。 该模块可查询、实时显示监测点三维坐标数据，生成相应报表，数据实时入库及发送短信及邮件报警信息。

图3 铁路(城轨)综合监测检测系统

2 BDS 高精度监测算法流程

BDS 高精度监测关键技术主要包括精密随机模型构建、B1 频率模糊度固定算法、BDS 高精度实时定位算法。 计算流程如图4 所示，基准站与监测站基线距离＜10 km，生成基线共视信息，构建双差观测模型及精密随机模型，在此基础上改进部分模糊度算法，以实现B1 频率模糊度的有效固定，构建ARMA 系统误差消除模型和自适应抗差卡尔曼滤波模型，最终实现BDS 实时高精度定位[14-15]。

图4 BDS 高精度定位算法流程

3 BDS 高精度监测工程实例分析

哈佳快速铁路位于黑龙江省的中东部，地处松花江南岸的哈尔滨市与佳木斯市，线路全长343.097 km。 设计速度200 km/h，全线铺设有砟轨道。 沿线地形地貌主要为冲洪积平原及低山丘陵区，哈尔滨至宾县主要为松花江冲洪积平原，宾县至佳木斯主要为丘陵区，冬天气候寒冷，最低气温为-29 ℃左右。

BDS 路基远程变形监测系统安装在哈佳快速铁路方正县境内，监测站由太阳能系统供电，基准站由工区市电系统供电，安装情况见图5，选取得莫利工区基准站及其附近的监测站组成短基线(长270.255 m)进行数据分析。

图5 系统现场安装

3.1 模糊度固定效果分析

路基在短期内具有蠕变特征，形变主要发生在高程方向，附加变形特征约束可进一步缩小搜索空间。选取2019 年10 月1 日 00:00:00～05:00:00 时间段内数据，采样频率为1 Hz，统计分析BDS 单历元模糊度固定成功率。

采用4 种模糊度固定方法分别对超短基线和短基线进行模糊度搜索，由于BDS 的B1 载波信号与GPS的L1 载波信号精度和稳定性相当，IParLAMBLDC(Improved Partial LAMBDA with Baseline length and Deformation Characteristics Constraints)模糊度固定成功率B1 载波与L1 载波基本一致[9]；对短基线18 000 个历元的数据分别采用表1 中的模糊度固定方法进行解算， 模糊度固定成功率由高到低依次为IParLAMBLDC、附有基线长度约束的改进部分LAMBDA 方法(IParLAMBL)、部分LAMBDA 方法(ParLAM)和LAMBDA，其中，IParLAMBLDC 模糊度固定成功率达到了99%以上。

3.2 路基日冻胀量分析

选取2019 年10 月12 日 12:00:00 ～23:59:59 BDS 单历元观测数据，进行路基冻胀变形量分析，该日最高气温为9 ℃，最低气温为-6 ℃，BDS 自适应抗差卡尔曼滤波模型探测出路基发生的冻胀变形约为2 mm，而传统的RTK 算法并不能有效反映出路基的冻胀量，且观测噪声较大，不能满足铁路路基监测精度要求，见图6。

表1 短基线模糊度固定成功率

图6 路基冻胀变化曲线

3.3 路基长期稳定性分析

为分析BDS 数据的长期稳定性，以小里程方向一个监测点为原点，沿线路大里程方向为纵坐标正方向，垂直于线路的内侧方向为横坐标正方向，见图7，选取2019-10-01 ～2020-02-11 的BDS 监测站数据进行分析。

图7 BDS 监测站坐标系

图8 方正县温度变化与哈佳快速铁路路基位移变化情况对比

为了判断哈佳快速铁路路基监测点是否变化，选取测量期间每日凌晨的数据，分析监测点的路基整体变化情况。 哈佳快速铁路路基监测点每日凌晨数据与方正县每日温度对比(见图8)。 2019-10-01 ～2020-02-11 期间，K192+548 处监测点发生沉降(约22 mm)，变化较大。 温度降低到-15 ℃以下，路基开始稳定，其他监测点在此期间基本稳定；当温度下降到-29 ℃，BDS 接收机仍能正常工作。 在哈佳快速铁路为期5 个多月的路基监测中，K192+548 处监测点基本稳定，但在前期三个月中沉降变化较大，超过了工后沉降15 mm 的要求，其他监测点未发生明显变化，基本处于稳定状态。

3.4 BDS 外符合精度分析

BDS 观测墩埋设有水准标，采用LeicaDNA03 精密电子水准仪进行精密水准测量(测量精度0.3 mm/km)，可以作为BDS 外符合定位精度的参考标准。 选取2019 年10 月1 日和2019 年11 月7 日两次的水准数据与BDS 进行对比分析(见图9)。 由图9 可知，其外符合精度为0.2 ～2.3 mm，可满足哈佳快速铁路监测精度要求。

图9 BDS 外符合定位精度分析

4 结论

提出并开发一种针对严寒地区的铁路运营期路基BDS 远程变形监测系统，具有低成本、低功耗、耐低温、测量精度高、系统运行稳定等优点，实现了路基变形的近实时监测。 针对现场监测特点，提出了BDS 高精度实时定位算法，通过实际监测数据验证该算法的有效性与精确性，外符合精度可达到0.2 ～2.3 mm。系统能够在严寒恶劣环境下正常稳定工作。 现场监测数据分析表明，哈佳快速铁路个别监测点路基存在明显沉降情况，大部分监测点处于稳定状态。 由此可见，该系统能够实时监测路基变形情况，为数据分析、路基修复加固提供技术支持。