复杂艰险山区铁路北斗高精度服务平台的构建

武瑞宏,许双安,王建红,许超钤,刘 晨

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043； 3.武汉大学测绘学院,武汉 430079)

引言

某复杂艰险山区铁路位于青藏高原东南缘，地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带附近，横贯三江褶皱及数个一级边界断裂，是新构造运动最为活跃的区域之一，具有地壳急剧抬升、板块强烈挤压、强震频发的复杂地质环境[7-9]。这样恶劣多变的外部环境，导致铁路精密测量控制网的空间基准处于持续动态变化中，而传统的定期复测无法及时感知控制点的动态变化。铁路建设工期长，沿线平面、高程控制基准不稳定，将严重影响工程建设的顺利实施。因此，如何在复杂艰险山区铁路的全生命周期(勘察设计、施工建造及运营维护)内提供稳定可靠的时空基准是该铁路工程测量首要解决的关键问题。

部署CORS(Continuously Operating Reference Stations，连续运行参考站)服务平台[10-12]是解决上述问题的可靠手段。CORS综合服务平台是现代测绘基准体系的关键组成部分[13]，该平台利用稳定运行的CORS基准站，将GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)观测数据实时传输至数据处理中心，而后解算软件实时求解，并向用户播发改正数和位置信息，提供便捷的NRTK服务。CORS平台可动态获悉基准站发生的位移，实现基准的自我校准，其NRTK(Network Real-time Kinematic，网络实时动态测量)服务也可显著简化定位作业的难度。由此可见，CORS平台契合复杂艰险山区铁路工程测量的需要。

为了实现该复杂艰险山区铁路高精度动态基准维持的需要，中铁一院依托中国铁建股份有限公司科技重大专项课题，在复杂艰险山区铁路部署完成了基于7座连续运行基准站的北斗高精度服务平台[14](以下简称“北斗平台”)。该平台是国内首个落成于高海拔、大高差环境下的北斗NRTK服务系统，可动态维护框架基准，从根本上解决了空间框架的时变问题。

1 北斗平台的建设

如图1所示，北斗平台的作业模式如下。首先，CORS基站数据实时传输至解算处理中心，进行实时数据处理并生成虚拟改正数；然后，服务管理中心根据用户的概略坐标分配并播发相应的改正数；最后，用户接收改正数后，即可进行快速准确的导航定位作业。可见，CORS基准站，解算处理中心和服务管理中心是北斗平台的核心组成部分，本文将从上述三方面介绍北斗平台的建设情况。

图1 北斗平台架构

1.1 基准站的建设

该复杂艰险山区铁路位于青藏高原东南部，经长期的高原隆升演化，在内外地质动力作用下，造成了建站区复杂的地质条件，呈现出“三高两强”的特点，即：高烈度地震、高地应力、高地温及强烈发育多样化地质灾害、强烈发育活动断裂[15]。该段铁路以傍山隧道走行于帕隆藏布江岸边，地势急剧隆升抬起，河流快速强烈下切，谷底与山岭相对高差一般在2～3 km，为典型的“V”形高山峡谷地貌，这给北斗基准站的选址造成了一定困难。

CORS基准站是北斗平台的基础设施[16]，需要确保一次建设，长期使用。另外，基准站位置应规避活动的断裂带，最大程度上减小活动断层的影响；并且，要以定测稳定的线路方案为依据，沿线路走向按20～30 km间距选点，兼顾长大隧道、特大及特殊桥梁及重点控制性工程的精密控制测量的要求，并充分考虑隧道施工辅助通道位置及配套工程应用需求。按照上述原则，确定了7个基准站的初步位置(图2)。另需注意的是：图2所示的基准代号仅为示意，并非真实代号。在选址完成后，站点上进行了多品牌各型号的GNSS设备测试，确保卫星观测数据质量、可用性等指标满足建站要求。

图2 基准站位置示意

测试完成后，7个基准站同步开工建设，并于2020年7月建设完成(图3)。7个基准站采用市电+电池组+太阳能组合供电模式，以保证在断电情况下，依靠UPS及电池组支持72 h以上稳定运行。由于受沿线通信基础设施建设现状制约，7个站点未能实现网络SDH专线接入，网络通讯暂时采用普通宽带在公用网络上建立虚拟专用网络，利用VPN+ADSL接入方式，后期随着通信基础设施建设和铁路建设推进，可升级为有线通信光缆或铁路专用综合信息通信网。

图3 北斗基准站

1.2 解算处理中心的建设

如图4所示，DreamNET[10]是解算处理中心(解算中心)的核心软件，该软件操作简单，功能丰富，支持新建/删除基站，基站参数管理，实时NRTK解算，基站状态监控，和数据文件分发等功能。并且，本软件还预留有二次开发接口，可与其他解算平台无缝对接，满足变形监测、数据融合、数据质量控制、坐标分析、平差等各种高级需求。另外，本系统还支持远程遥控，管理人员可以远程检查台站系统，确保维持高质量的数据服务。此外，本软件支持单北斗解算模式，该模式在B1、B2的基础上，还增加了对B3[17-19]的处理功能，实现了真正意义上的北斗三星多频解算。

图4 解算平台主控界面

值得注意的是，由于受气候和地形的影响，低空对流层状态变化频繁，为了削弱对流层的影响，本平台采用了针对该区域构建的高精度对流层延迟模型[20]。该模型是由气象站数据、ECMWF天气数值预报产品、无线电探空资料以及NRTK提取的GNSS对流层延迟共同构建的。该模型的实现方式如下。

采用最小二乘法估计用户的大气误差改正数，利用赫尔默特估计方法、二次无偏估计法等多种定权方法，建立不同来源的大气误差之间的协方差函数γi(h)，根据协方差函数计算观测值方差矩阵Di和协方差矩阵Dij。

(1)

权阵为

(2)

因为GNSS基准站数据质量最高，以其估计的大气误差为基准，建立顾及系统差的融合观测方程

(3)

式中，x为待求网格点的融合值；ai、bi为系统差参数；f为待求参数与观测值的函数。将观测方程线性化并移项得到误差方程

(4)

写成矩阵形式为

V=BX-l

(5)

根据最小二乘方法即可求解得到融合后的大气误差，同时可进行精度评定，并将其用于NRTK大气误差改正和精确位置计算。

1.3 服务管理中心建设

服务管理中心(服务中心)是连接解算中心和用户的枢纽，通过向用户端播发由解算服务器输出的虚拟改正数，提供用户端的高精度定位与导航服务。除了基础功能外，服务中心还支持系统管理，用户管理(图5)，信息发送和站网信息管理等多种功能。另外，与解算中心类似，服务中心同样支持二次开发，后期可根据复杂艰险山区铁路运行维护的各种需求进行个性化升级。

图5 服务平台管理界面

2 测试与分析

2.1 观测数据质量评估

本项目采集了7个基准站2020年10月11日的北斗和GPS观测数据，采用TEQC软件[21-22]进行了观测数据质量分析。评价指标为：数据完整率、多路径效应(MP1和MP2)、周跳比和信噪比(SN1和SN2)。部分测站上述指标的测试结果如表1所示。

表1 CORS站北斗观测数据质量分析结果(部分)

根据《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》[23]对观测数据质量的要求，数据完整率应>85%，MP1<0.5 m，MP2<0.65 m，SN1>4.5 dB，SN2>5.5 dB。另需说明的是，周跳比指标没有明确的规定，根据实际情况，本项目规定该指标应大于1 000。根据统计结果可得，所有测试站点的参评数据(北斗和GPS)均满足要求。

2.2 NRTK性能评估

依托铁路精密测量控制网的成果，本研究分别采用单北斗和多GNSS系统组合两种作业模式进行了NRTK定位性能测试。另需说明的是，本项目的所有坐标成果均在2000国家大地坐标系[24]下，其中，平面成果是以96°E为中央子午线进行高斯投影后的平面直角坐标，高程是相应的大地高。

为了测试北斗平台NRTK的定位精度，本项目选取55个铁路控制点，分别采用单北斗和多GNSS系统组合(GPS，BDS和GLONASS)的作业模式，进行定位精度测试。每个测试点采用上述两种作业模式分别采集3组结果，利用这3组结果统计内符合精度，利用3组点位中误差的平均值作为最终定位结果统计外符合精度。测试结果如表2、表3所示。

表2 单北斗和多GNSS组合作业模式下NRTK的内符合精度统计 mm

表3 单北斗和多GNSS组合作业模式下NRTK的外符合精度统计 mm

根据《卫星导航定位基准站网测试技术规范》[25]要求，NRTK定位的内符合精度需满足平面≤3 cm，高程≤5 cm要求。从表2统计数据可得：从内符合精度上看，单北斗和多GNSS组合作业模式的平面位置精度均优于1 cm，高程位置精度优于2 cm，均远高于规范要求。另据规范要求，NRTK定位的外符合精度需满足：平面≤5 cm，高程≤10 cm。由表3可知，从外符合精度上看，单北斗和多GNSS组合作业模式的平面定位精度均优于2 cm，高程位置精度优于5 cm，同样远超规范要求。综上，北斗平台的NRTK定位性能优异，各项指标均满足规范要求。值得注意的是，由于多GNSS组合模式可观测卫星数更多，使多GNSS组合模式的内、外符合精度略好于单北斗模式。

3 结论

经过建设和部署，复杂艰险山区铁路北斗高精度服务平台已建设完成并投入试运行。北斗平台架构合理，功能丰富，并且本研究还对北斗平台进行了数据质量测试和实地NRTK性能评估，取得如下成果。

(1)所有测站的参评数据均满足规范要求，足见各基准站设备可在高原区复杂、恶劣环境下稳定运行。

(2)多GNSS系统组合的作业模式下，NRTK的平面内符合精度优于1 cm，外符合精度优于2 cm，高程方向内符合精度优于2 cm，外符合精度优于5 cm，满足精度要求。

(3)单北斗作业模式下，NRTK的平面内符合精度优于1 cm，外符合精度优于2 cm，高程方向内符合精度优于2 cm，外符合精度优于4 cm，满足精度要求。

(4)值得注意的是，即使是周围环境较差或者网络信号不佳的测点，在单北斗或多GNSS组合作业模式下也能较快地得到高精度的固定解，初始化的时间约10 s。

综上，北斗平台运行稳定，精度可靠，满足铁路高精度导航定位的需求。北斗平台将在今后长期连续运行，逐步取代常规的大地测量控制网，全天候地进行各种类型的北斗/GNSS定位、变形监测和放样作业。未来，CORS站将扩大规模，解算和运维中心也将面对复杂艰险山区铁路的实际需要继续进行个性化升级。另外，基于北斗平台提供的精确动态时空基准，可开展如形变监测和大气监测等业务，进一步深化平台的应用范围。