GPS在高速铁路控制测量中的精度分析研究

1.引言

随着轨道交通技术的日趋成熟，越来越多的城市依靠高速铁路等交通工具进行信息交流工作[1]，不同城市之间的距离开始缩短。但由于不同城市的地形地势不同，不仅为城市高速铁路建设带来了困扰，同时也为区域线路勘测工作的实施带来了挑战。为了解决上述问题，引入了GPS技术（又称全球标准化定位系统），在很大程度上实现了全球建设的信息化水平，并在一定程度上推进了数字化时代的到来。根据有关勘察数据显示，高速铁路建设的路段通常为地势较复杂的区域，相比其他建设区域，高速铁路控制测量时桥梁、隧工点的精度要求受到连接隧道与桥梁的影响，这些条件均是影响控制测量精度的主要因素。通常情况下，高速铁路控制测量使用三角网及导线网测量方式，这类方式需要测量的两点间能够通视，具备一定的通透性[2]。由于此种因素属于非人为控制因素，相关工作在实施时，不仅耗费时间与精力，且精度无法控制在可调控范围内。将GPS技术应用到高速铁路建设的控制测量工作中，可根据两点间的距离对高速铁路控制测量进行定位，使测量人员在工作中可实时掌握测量的定位结果，有利于提升高速铁路控制测量的精度。基于此，本文以GPS技术的应用为研究切入点，开展GPS在高速铁路控制测量中的精度分析与研究，以实现控制测量全过程的高精度。

2.GPS网中控制测量基线定向解算

应用GPS技术对高速铁路控制测量点定位，主要利用测量基线对三差高速铁路控制模型进行定向求解。其中三差是指同一组卫星定位数据中不同历元数据的双差数据值，这种控制测量点定位方法不仅有效地消除了参数具有模糊性的问题，同时也在一定程度上降低了卫星定位轨道的误差值[3]。假设控制站为1和2，测量时间为T1和T2，基于历元同步观测卫星站p和q，建立双差方程。此时，按照数据的静态测量标准，划分数据有效时长测量段，定义不同类型数据的采集样本间隔时间，使用PDOP进行数据的收集[4]。当卫星站点识别数据为双频数据时，定义高速铁路控制测量三差模型。此过程可用公式（1）表示。

根据对高速铁路控制测量未知点的分析，可利用三差计算方法，进行观测站点与非差相位观测值的方差定义，以此掌握不同卫星观测获取的测量数据精度值。在此过程中，假定卫星站点与数据测量站点之间不具备一定的关联性[5]，即在相同的控制测量时间内，历元间的观测值不相关。基于此，可遵循数据在卫星网络中的传递误差定律，进行GPS 定位站的观测值方差检验。具体过程如公式（2）所示。

公式（2）中：D表示GPS定位站的观测值方差；t表示测量具体时间；i表示观测站发送定位数据的次数；n表示误差传播定律；a、b分别表示卫星站与观测点；diag表示双差观测值；E表示随机测量数据。在上述计算公式的基础上，以为精度测量的时间依据，进行测量值—协方差矩阵的建设。如公式（3）所示。

3.高速铁路控制测量数据处理与检核

在完成上述GPS 网中控制测量基线定向解算工作后，可根据GPS 获取的数据值，进行基线控制网平差数据的处理与检核，以此作为控制测量精度分析的依据[6]。根据附带的解算工具Log8.04，进行SYGPS 数据的处理。

分析测量数据的质量，检查获取的数据是否符合技术设计规范和要求，并在此基础上，按照控制测量时间，对当天测量的数据进行基线定向求解。在求解过程中，采用广播星历或精密星历，控制卫星高度测量角宜在10°～20°之间[7]。在相同时间段观测测量的数据值，筛选剔除率在10%以外的数据，保留其他数据集合，在此之外的数据控制测量点需要重测。同时，在任一时间段内的测量数据均应保持同步测量时间。例如，CPI复核测网时间应大于或等于90min；CPII复核测网时间应大于或等于60min，以此类推。当处理测量数据时发现，测量的时间不在规定范围内时，此部分数据自动作废[8]，并且在任意一个时间段内有效的GPS卫星定位数量应大于或等于4个，倘若某一时间段内的控制测量数据的有效卫星数量在4个以内时，可认为该段时间的数据作废。

当该站控制测量基线的定向控制测量数据完全符合标准的情况下，可按照高速铁路建设过程中的最小闭环原则，进行全网基线的闭环检索，并对此种状态下获取的数据进行精度检验[9]。根据独立边观测数据的闭合差值，精度检验可按照公式（4）实施。

在此基础上，根据不同类型数据集合的特点，布设GPS网布。通常情况下，选择边部连接式结构进行基线定向数据的数据核检，此种核检方式是综合了基线与网布的平方差之间的联系，根据复测边与图形的闭合条件，进行观测网型的选择。在相同的核检条件下，此种网布的可靠度更高，更适用于分析高速铁路控制测量的精度。

4.CPI高速铁路控制测量数据精度分析

根据上述对高速铁路控制测量数据的处理与检核，导出处理后的数据集合，以CPI数据为分析标准，对此精度开展进一步的分析。

按照基线向量的异步环差闭合，遵循《高速铁路工程测量规范》（以下简称《规范》）中提出的相关要求，进行闭合差的精度控制测量条件选择[10]。公式（5）为精度控制测量应满足的要求。

在此基础上，按照《规范》中提出的相关要求，分析不同时间段的控制测量基数是否满足ds小于或等于重复获取在不同控制测量时间段内的最大CPI数据值，要求数据值应满足规范限差的要求，并综合CPI控制网络的检查差值，进行基线重复极差的检验。当求解计算在上述提出的精度控制量范围内时，认为检验成果相对可靠，反之需要在此时进行高速铁路控制测量的平差值计算。

除此之外，根据复测的平差数据值，进行控制测量过程的无约束平差校正。经过基线的定向分量，校正的限制范围为（Vx～Vs）。同时，控制高速铁路控制测量过程中与自身向量网适配的数据集合精度，当此时集合中无显著粗差时，认为此时数据基线的控制测量精度符合数据兼容性要求。综上所述，通过定向解算GPS 网中控制测量基线、处理高速铁路控制测量数据，完成对CPI 高速铁路控制测量数据精度的分析。

5.结语

为提升高速铁路控制测量数据的精度，本文开展了GPS在高速铁路控制测量中的精度分析。使用专项数据接收设备，采集高速铁路建设相关工作产生的数据，并对CPI控制点进行了重复数据检测。通过分析发现，当下高速铁路控制测量工作的实施仍存在一些问题，为此在后期的发展中，应加大全球定位系统等相关现代化技术在其中的应用，根据项目对精度的需求，进行基线的定向检测。若在小范围内的高速铁路控制测量工程中，可根据区域地形与地势，进行边网的布设，并加大对业内数据的采集力度，以此建设满足精度要求的基线，进而使控制测量精度达到理想的要求。除此之外，为了进一步提高测量工作的严谨性，在测量工作中，可在原有测量点的基础上，增加周围点的检测次数，以求取平均值为工作的基础，并剔除相关粗差点，以便后期交接工作的顺利开展。