梁 旺

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

在鐵路項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中,若中線測(cè)量成果精度較差,會(huì)導(dǎo)致鐵路項(xiàng)目線路平縱斷面設(shè)計(jì)失真,整體建設(shè)質(zhì)量嚴(yán)重下降。因此,采用先進(jìn)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作很有必要。

GNSS RTK測(cè)量過(guò)程中,各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間處于獨(dú)立分離狀態(tài),不能形成可供檢核的有效幾何圖形,導(dǎo)致無(wú)法驗(yàn)證測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)的準(zhǔn)確性和可靠性。千尋定位系統(tǒng)則是利用遍布全國(guó)各地的基準(zhǔn)站建立一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng),采用網(wǎng)絡(luò)RTK獲取差分?jǐn)?shù)據(jù),使測(cè)量成果具有較高可靠性。已有學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究,劉東軍對(duì)千尋位置服務(wù)和CORS系統(tǒng)獲得測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程進(jìn)行比較,分析千尋位置服務(wù)和CORS系統(tǒng)服務(wù)之間的系統(tǒng)差值,認(rèn)為千尋位置獲取數(shù)據(jù)具有與省級(jí)CORS系統(tǒng)相同平面坐標(biāo)和高程精度,滿足大地測(cè)量、國(guó)土測(cè)繪的精度要求[1]。

在行業(yè)測(cè)繪方面,許冬等為千尋位置服務(wù)在電力勘測(cè)設(shè)計(jì)測(cè)量中提供應(yīng)用案例[2];吳勝平等利用千尋位置提供厘米級(jí)精度的定位服務(wù),對(duì)管道走向及管線的特征點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,并通過(guò)千尋位置形成的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)燃?xì)夤艿雷黠L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3];江木春等論述比對(duì)RTK測(cè)量、CORS系統(tǒng)測(cè)量和千尋位置的定位導(dǎo)航技術(shù),認(rèn)為千尋知寸測(cè)量方法能滿足大范圍、長(zhǎng)距離和跨省區(qū)航道測(cè)量要求[4]。目前,千尋定位GNSS RTK測(cè)量技術(shù)在各自專業(yè)測(cè)量領(lǐng)域已有應(yīng)用,并取得一定的工程實(shí)踐成果,但在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用還相對(duì)較少。

以下基于千尋定位采用GNSS RTK技術(shù)進(jìn)行鐵路定測(cè)階段的中線測(cè)量工作[5],對(duì)其獲取數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)GNSS RTK獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析,并對(duì)此技術(shù)在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行充分整合,深入探討基于千尋定位的GNSS RTK技術(shù)在鐵路勘測(cè)階段應(yīng)用的可行性。

2 GNSS RTK和千尋定位技術(shù)

2.1 GNSS RTK測(cè)量技術(shù)

GPS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)簡(jiǎn)稱GNSS RTK或RTK。RTK定位技術(shù)是一種基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),能實(shí)時(shí)提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下,參考站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈(電臺(tái)、手機(jī))將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息傳送給流動(dòng)站;流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自參考站的數(shù)據(jù),還要采集GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值,再給出流動(dòng)站的三維定位結(jié)果。

2.2 千尋定位技術(shù)

千尋位置是基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(BDS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GALLILEO)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本位置數(shù)據(jù),以“互聯(lián)網(wǎng)+位置”概念為基礎(chǔ),采用2200個(gè)以上的地面基礎(chǔ)增強(qiáng)站和自主網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)的側(cè)位算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算。千尋定位采用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式,整合流媒體和流媒體產(chǎn)業(yè),促進(jìn)固定場(chǎng)景應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)部門、地區(qū)及用戶之間的資源調(diào)整和數(shù)據(jù)共享,可滿足產(chǎn)業(yè)及大眾市場(chǎng)的準(zhǔn)確位置服務(wù)需求。

目前,在鐵路定測(cè)階段中線測(cè)量等工作中,采用GNSS RTK測(cè)量方式較多,但耗時(shí)耗力?；谇ざㄎ坏腉NSS RTK技術(shù)具有使用便捷、精度高等優(yōu)點(diǎn),若在鐵路定測(cè)階段針對(duì)性的使用,可在一定程度上解決以往單基站模式測(cè)量效率較低、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量成本高等問(wèn)題,提高鐵路勘測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鐵路勘測(cè)過(guò)程中,由于各階段的測(cè)量?jī)?nèi)容不同,所使用的儀器設(shè)備和測(cè)量方法也各不相同,以下主要研究基于千尋位置的高精度RTK能否滿足鐵路定測(cè)階段中線測(cè)量的相關(guān)要求。

目前,定測(cè)階段鐵路中線測(cè)量多采用單基站RTK模式,即單個(gè)基站RTK系統(tǒng)使用單個(gè)基站接收來(lái)自GNSS獲得的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行初步計(jì)算,然后采用專業(yè)算法進(jìn)行分析和處理,以標(biāo)準(zhǔn)RINEX數(shù)據(jù)格式為參考,對(duì)星歷和GPS接收機(jī)的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔記錄。之后,通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù),將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)文件上傳到指定服務(wù)器上,供該系統(tǒng)內(nèi)的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)下載,差分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)一由管制和控制中心進(jìn)行分發(fā)。流動(dòng)站用戶需要高精度定位時(shí),通過(guò)GSM或者GPRS手機(jī)直接撥號(hào)到控制中心,獲取差分?jǐn)?shù)據(jù),同時(shí)可計(jì)算實(shí)時(shí)獲得流動(dòng)站的平面和高程數(shù)據(jù)。

單基站GNSS RTK測(cè)量系統(tǒng)的整體設(shè)備包括GNSS基站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和流動(dòng)站。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M鐵路定測(cè)階段場(chǎng)景,在有定測(cè)平面高程控制網(wǎng)條件下,以千尋定位和單基站2種方式分別測(cè)量已知中線測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和高程,并與原有中線測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)和高程成果進(jìn)行比對(duì)分析,以驗(yàn)證是否滿足《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中線測(cè)量的要求(中樁樁位限差縱向0.1m;橫向0.1m。中樁高程,兩次測(cè)量成果的差值≤0.1m)。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)獲取

某鐵路定測(cè)期間,隨機(jī)選擇3處地段,分別按常規(guī)單基站作業(yè)模式和千尋定位模式進(jìn)行測(cè)點(diǎn)采集。

常規(guī)單基站作業(yè)模式:先利用定測(cè)精測(cè)網(wǎng)CPⅠ和線路水準(zhǔn)基點(diǎn),按10km左右分段求解測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)并劃分測(cè)區(qū),輸入GNSS接收機(jī)手簿,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行CPI點(diǎn)的外業(yè)復(fù)核后,再進(jìn)行中線測(cè)點(diǎn)采集。

千尋定位模式:中線測(cè)點(diǎn)采集作業(yè)與常規(guī)單基站作業(yè)模式相同。不同點(diǎn)在于,單基站模式需要人員2人, GNSS接收機(jī)2臺(tái)。其中GNSS基站1臺(tái)(含電臺(tái))、流動(dòng)站1臺(tái);千尋定位模式完成相同外業(yè)任務(wù),僅需人員1人,流動(dòng)站1臺(tái),不需GNSS基站,僅依靠千尋賬號(hào)接收網(wǎng)絡(luò)信號(hào)即可。

利用千尋定位和單基站模式分別采集中線測(cè)點(diǎn)共計(jì)240個(gè),其平面坐標(biāo)較差和高程較差見(jiàn)表1。

表1 千尋定位與單基站模式測(cè)量成果比較 m

經(jīng)統(tǒng)計(jì),240個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)較差中誤差為0.026m,最大值為0.103m,較差小于0.1m的占比為99.58%;高程較差中誤差為0.030m,最大值為0.136m,較差小于0.1m的占比為98.23%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1 千尋定位與單基站模式較差統(tǒng)計(jì)

4.2 精度評(píng)定

以單基站測(cè)量數(shù)據(jù)為真值,以對(duì)應(yīng)點(diǎn)位千尋位置測(cè)量結(jié)果為分析值,分別計(jì)算各點(diǎn)位平面較差中誤差(北坐標(biāo)較差、東坐標(biāo)較差、坐標(biāo)較差)和高程較差中誤差,對(duì)基于千尋位置服務(wù)高精度RTK測(cè)量結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)位精度分析,有

式中,mx為平面坐標(biāo)北方向坐標(biāo)分量中誤差;my為平面坐標(biāo)東方向坐標(biāo)分量中誤差;n為測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的檢核點(diǎn)數(shù)量。

基于千尋位置服務(wù)高精度RTK測(cè)量結(jié)果的平面中誤差,可根據(jù)x、y方向的中誤差進(jìn)行計(jì)算,有

經(jīng)統(tǒng)計(jì),千尋定位與單基站模式較差見(jiàn)表2。

表2 千尋定位與單基站模式較差統(tǒng)計(jì) m

4.3 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)分析,測(cè)量結(jié)果有以下特征。

(1)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布規(guī)律。

(2)坐標(biāo)較差、高程較差中誤差均小于0.050m。坐標(biāo)較差、高程較差小于2倍中誤差(即0.010m的測(cè)點(diǎn)數(shù)量占比分別為99.58%、98.33%),置信水平較高。個(gè)別較大誤差均為不可重復(fù)測(cè)量的中線測(cè)點(diǎn),可視為測(cè)量粗差。

(3)定測(cè)實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)較差、高程較差中誤差較小,是因?yàn)槎y(cè)階段采用較為密集的CPI和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)做為首級(jí)測(cè)量控制,測(cè)區(qū)進(jìn)行分段和更為嚴(yán)格的約束所致。

(4)數(shù)據(jù)誤差分析表明,采用基于千尋定位的GNSS RTK進(jìn)行鐵路定測(cè)階段中線測(cè)量,可以達(dá)到單基站GNSS RTK測(cè)量的精度指標(biāo),即中樁樁位限差縱向0.1m、橫向0.1m;中樁高程兩次測(cè)量成果的差值不大于0.1m。

5 結(jié)論

(1)對(duì)鐵路定測(cè)階段的千尋定位中線測(cè)量方法進(jìn)行研究,將基于千尋位置服務(wù)高精度RTK的中線測(cè)量成果與單基站中線測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比。研究表明:基于千尋位置服務(wù)高精度RTK測(cè)量成果精度較高,在相同轉(zhuǎn)換參數(shù)條件下,單基站RTK測(cè)量的坐標(biāo)較差、高程較差中誤差均優(yōu)于0.05m,表明基于千尋定位的GNSS RTK的中線測(cè)量成果可滿足《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》要求,可以做為現(xiàn)有單基站RTK測(cè)量中線作業(yè)的替代方式。

(2)千尋定位覆蓋范圍較廣,能夠?qū)崿F(xiàn)全國(guó)大多數(shù)地區(qū)的基礎(chǔ)測(cè)量工作,具有極大的便利性,可廣泛應(yīng)用于較長(zhǎng)距離的鐵路勘測(cè)工作,尤其是為跨省區(qū)的鐵路勘測(cè)提供較好的解決方案。