淺談GNSS在高速鐵路CPIII精密控制測量中的應用

吳業平

摘要：隨著我國高速鐵路的發展，高速鐵路精密控制測量在高速鐵路工程領域的作用也就越來越明顯。傳統的高速鐵路工程測量使用的測角與邊不能適用現在的時代需求，在GNSS技術環境下，高速鐵路軌道CPⅢ平面控制網精密測量如何快速獲取精確數據，并建立數據采集和分析一體化系統以及實際工程項目為向導進行GNSS接收機搭載軌檢小車進行高速鐵路軌道CPⅢ平面控制網測量的數據采集與數據分析處理是重點和難點。

關鍵詞： 高速鐵路;GNSS系統;CPIII測量

一、前言

（一）問題的提出

近年來，隨著全球科學技術的進步，測量領域取得了突出的成就，由原來傳統老式的光電水準儀和經緯儀進行傳統的測角量邊到如今借助衛星通信技術的信息化測量，特別是在高速鐵路工程領域，基于GPS導航的測量定位技術已經在高速鐵路工程測量和監測領域取得顯著成效，各項功能和指標都有比較成功的應用。那么在GNSS導航系統內，高速鐵路領域的工程測量會發生哪些變革，特別是 CPIII精密控制測量領域中，如何對高速鐵路CPⅢ 控制網進行優化設計以及測量方案技術研究方法的探討，都具有重要的現實意義。

二、研究結果及分析

基于GNSS系統內的高速鐵路CPⅢ精密控制測量技術的運用研究主要如下：

（一）基于GNSS技術的定位原理與優勢

將 2 臺以上的 GNSS 接收機安置在固定的測站上 （相鄰測站點間距<1km），同步觀測四顆以上的衛星 30～90min，測量出測站點 P 至 4 顆以上 GNSS 衛星的距離，并解算出該時刻衛星的空間位置，據此利用空間距離后方交會法可解算出測站點 P的三維坐標。即三維三邊測量法（見圖 1），3 個距離觀測值可以解算出 1 個點的緯度、經度與大地高程，其他多余觀測量進行位置修正。

GNSS 靜態相對定位測量有以下優點：

1）效率高：GLONASS、GPS 衛星、北斗衛星取消 SA 的干擾，使其測試精度提高了 3 倍。在靜態、動態及半動態的工作中，利用 3 個導航衛星系統定位速度更快，進而加快了整個數據采集處理的速度。

2）更可靠：提供了更多的高仰角衛星，增加可觀測的衛星數量，增加的衛星數目會使衛星幾何分布更好，極大地提高發現和孤立故障衛星的能力，能更好地覆蓋有遮擋的困難地區。

3）提供三維坐標：GNSS 測量技術可同時精確測定測站點的三維坐標，且在通視較好的平原或丘陵地區，高程擬合（平面擬合）可滿足二等水準測量的精度要求，特別是對于高速鐵路工程項目監測和復測成果明顯提高其工作效率。

4）測站點間無須通視：不要求測站點之間相互通視，只需測站上空開闊，點位疏密可根據需要靈活選擇，可省去常規高程測量中的傳算點、過渡點的測量工作。特別是對于那些橋涵、隧道工程的監測工作，大大提高了可操作性。

（二）GNSS技術用于高速鐵路CPⅢ控制測量中的精度分析

整個高速鐵路建設分為勘測設計階段、施工組織階段、運營維護階段，每一個階段，測量工作都在其中發揮了很重要的作用，即時是基礎作用，也是決定工程成敗的關鍵作用。目前我國鐵路工程測量要求鐵路的勘測設計控制網、施工組織控制網、運營維護控制網必須統一坐標系和起算基準，也就是“三網合一”，而高速鐵路施工控制網包括CPI（一級基礎平面控制網）、CPII（二級線路平面控制網）CPⅢ（三級軌道控制網），可見高速鐵路CPⅢ精密控制測量技術是整個高速鐵路測量中很重要的環節。而CPIII精密控制測量網的方案技術設計主要包括精度指標的合理確定，觀測的技術要求以及控制網的建立三個方面。

在GNSS系統內測量：精度指標是以最新的高速鐵路測量規范為依據，是基于GNSS系統環境下建立起的CPIII精密控制測量網，CPIII控制網分初級和加密級兩個等級進行布設。首級GNSS控制網的等級為CPIII初級控制網，次級GNSS控制網的等級為CPIII等級加密控制網。加密級完全在初級的控制之下，CPIII初級控制網點均勻布設，覆蓋整個高速鐵路工程沿線?？刂凭W高速鐵路線路呈網狀布設。每8個點組成的CPIII初級控制網按照GNSS控制網精度要求進行外業觀測測量，采用8臺天寶R4GNSS接收機（或萊卡系列GNSS接收機）進行外業靜態觀測，每條邊觀測時段不少于2個，每個時段不短于90分鐘，衛星高度角不小于15°，接收機采樣間隔設置為15S，PDOP或GDOP值值不超過6。觀測時天線整平對中誤差不大于1mm，每時段觀測前后各量取天線高1次，兩次互差小于3mm，取其平均值作為最后觀測值。

以具體的鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標段的為例，本測區位于位于湖北省襄陽市襄州區峪山鎮、東津新區境內，起訖線路里D1K386+961.408-D1K391+924.180。本測區平面坐標系采用既有精測網的工程獨立坐標系，采用參考CGCS2000橢球體，中央子午線為112°30′，投影面大地高為45米，高程異常-22米。高程系統采用既有精測網高程系統，即1985國家高程基準。本測區CP，CPⅢ高程控制網共測量CPⅢ點186個，聯測二等水準加密點6個（386JMH22、388JMH21、389JMH21、390JMH21、391JMH21、392JMH21）。

測量方法采用自由測站邊角交會方法對本測區CPⅢ點進行平面測量，并與CPIII同等級加密控制點進行了聯測;采用矩形環單程水準路線方法對本測區CPⅢ點進行高程測量，并與二等水準點、二等水準加密點進行聯測。

測量設備1）徠卡GNSS 接收機8臺套，均檢定合格;2）徠卡配套 TS60型全站儀1臺，儀器標稱精度：0.5〞，0.6mm+1.0ppm，檢定合格;3）軌道幾何狀態檢查車與GNSS系統兼容并能接收多個衛星信號。

CPⅢ控制點應設置在穩固、可靠、不易破壞和便于測量的地方。CPⅢ控制網布設的技術主要技術要求如表1所示。

本測區路基段CPⅢ點成對埋設在路基上設置的專用控制樁上，橋梁段CPⅢ點在選定位置橋梁固定支座上方防撞墻頂鉆孔進行埋設。 CPⅢ控制點的布設與傳統的測量方法不同，是按下列要求執行：天線安置的對中誤差不應大于1mm，天線高量取應精確至1mm，在120度方向三次量取，較差不大于2mm取中數使用;觀測作業應嚴格按調度表進行，保證同步觀測同一組衛星，不得中間關機，改變天線位置或觀測參數及進行其他調試等觀測中，應避免在接收機近旁使用無線電通信工具;觀測員在作業期間不得擅自離開測站，并應防止儀器受震動和被移動，防止人與其他物體靠近天線，遮擋衛星信號;作業同時應填好觀測手簿，包括控制點點名、接收機序列號、儀器高、天線類型、開關機時間等相關的測站信息，不得缺項。GNSS控制網采用靜態作業模式，采用雙頻接收機進行觀測，作業前對衛星接收機和天線等設備進行常規檢查，采用統一印制的觀測手簿進行記錄。觀測過程中，定時檢查接收機觀測狀況，并量取天線高，精確至1mm。

經對比分析，中誤差和閉合差以及限差數值均小于傳統測量方法的數值，項目在實施過程中，為提高龐大的內業計算效率，項目組采用了若干軟件，包括導線邊長高斯投影改化、高程歸化等軟件，通過最新軟件的應用，大大提高了作業效率。此段路標CPIII控制網中導線邊長改化工作，采用常規方法利用Excel表格編寫相關公式進行計算，上百個導線邊長需要一天的時間，采用最新的導線邊長改化軟件后，此項工作只需要幾分鐘的時間。CPIII控制網的定點數據采用整體平差的方式，在控制網定位中間盡量與衛星定位控制點聯測，保證了點坐標精確度的統一。其次CPIII精密控制網的各項指標均小于限差，滿足規范要求;通過上述精度分析表明，鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標段CPIII精密控制網各項精度指標均達到規范要求，可作為整個鄭萬高鐵工程測量的測繪基準點，為進一步的軌道控制網CPIII和軌道基準網GRP的建立打下堅實基礎。

（三）在GNSS系統內的CPⅢ平面控制測量中內業數據處理與分析

以具體的鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-3標段的為例，本區段CPⅢ平面網共觀測CPⅢ控制點186個，聯測CPⅡ同等級精度加密控制點10個。其自由網平差的精度情況如表2所示，搭接前約束網平差的精度情況如表3所示，各項精度指標均滿足規范要求。

本區段與相鄰大、小里程段的CPⅢ平面網各重疊測量了6對CPⅢ點，由表可知，本區段與相鄰小里程段的CPⅢ平面網，搭接處的重疊點獨立平差坐標成果較差均滿足≤3mm的規范要求，可進行下一步搭接處理。為了做好軌道控制網區段間的銜接，保證CPⅢ平面網精度的平穩過渡，本次搭接處理過程中除了使用獨立平差時使用的約束點外，還采用了重疊處上一區段的部分CPⅢ成果作為起算點，其搭接后約束平差的精度情況如表所示，約束平差后重疊測量的CPⅢ點前后區段坐標成果較差情況。

三、研究總結

在GNSS系統內進行CPIII精密控制測量作業，由于獲得的衛星通信信號要強于單獨的GPS衛星通信信號，且通過比較其精確度與各項指標值均高于傳統測量作業方法，隨著北斗衛星通信系統的越來越完善，其精確度和靈敏度也會越來越好，那么這種兼容性的GNSS系統下的各種測量儀器設備也會越來越多，因此GNSS控制測量也是大勢所趨，特別是高速鐵路測量領域內，由于高速鐵路要求高平順性，并且在設計、施工、運營過程中都需要測量，因此工程量大，測量任務繁重，特別是在監測過程中，細微的變動都會引起很大誤差，需要對CPIII控制測量網進行實時監測也是趨勢之一，那么對CPIII控制測量技術進行研究具有很大的工程意義和實用價值。

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校級課題：基于GNSS系統的高速鐵路CPIII精密控制測量技術研究，

項目編號為（2018005）