GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中的应用分析

2016-09-19李洋

地球 2016年2期

关键词：接收机静态导线

■李洋

（中铁五局广州工程分公司广东广州511458）

GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中的应用分析

■李洋

（中铁五局广州工程分公司广东广州511458）

随着时代的进步和科技的发展，GPS技术越来越完善，也越来越广泛的应用于各个领域，尤其是交通运输领域更是广泛受益于GPS技术。在铁路导线测量中，GPS快速静态定位技术发挥了越来越大的积极作用，对铁路施工的平顺性做出了很大的贡献，不断提高了铁路工程的施工效率、很大程度上减少了测量过程中会造成误差的人为因素。本文从GPS技术的优势入手，简要描述GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中的应用，全面解析GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中的具体工作方法，希望能为更多铁路施工者提供借鉴。

GPS快速静态定位技术铁路导线测量

二十一世纪以来，中国的经济和科学技术进入了迅速发展的阶段，各行各业都呈现雨后春笋之势，铁路建设也不例外。作为火车这一重要运输工具的载体，铁路建设的质量高低与火车运输的好坏，因此铁路建设必须要努力保证每一个步骤都是安全的、每一个测算都是准确的，但是很多高要求、严标准仅仅依靠铁路建设者本身是无法实现的，必须借助GPS技术才能达到最终目的。同时，在时代的发展和科技的进步之下，高速铁路轨道越来越广泛地出现在人们的视野之中。对于高速铁路轨道而言，平顺性是最基本的要求，没有平顺性高速铁路轨道的其他性能更没有实现的可能。为了保证高速铁路轨道的平顺性，就必须设置高精度的CPI，CPII和CPIII控制点，这个步骤就必须借助GPS静态定位技术来实现。在逐渐意识到这一点之后，铁路建设者们开始着手将GPS技术应用到具体的铁路建设实践中，在铁路导线测量中应用GPS快速静态定位技术就是最具有代表性的做法。

1　 GPS技术的优势

1.1省去测站之间的通视，提高选点灵活度

测量站之间必须相互通视一直是铁路导线测量的难点。GPS技术则恰好解决了这一点，很大程度上提高了测量站选点的灵活度，大大降低了选点难度，使铁路导线测量工作更加灵活、方便、高效、高精度。当然，测量站上空必须是开阔的天空，以保证可以顺利地发送和接收GPS信号[1]。

1.2定位精度高，提高铁路导线测量精确度

双频GPS接收机的基线解精度是5mm+1ppm，而且随着距离的增加，GPS技术进行测量的优越性就会愈加突出。大量的实践表明，在50公里以内的基线上，GPS技术的相对定位精度可以达到12×10-6；在定位基线为100至500公里时，GPS技术的相对定位精度可以达到10-6～10-7[2]。这样高精度的定位准确度，对于铁路导线测量工作而言正是及时雨，大大提高了铁路导线测量的精确度。

1.3观测耗时短，大大提高铁路导线测量作业效率

有具体数据表明，使用GPS技术进行控制网布设时，每个观测站所需要的观测时间一般在30min至40min之间，E级控制网的静态观测时间为40分钟以上，而采用GPS快速静态定位技术的观测耗时会更短，E级控制网（城市一级导线）只需2分钟以上，D级网（四等导线）只需5分钟以上即可完成，在数据采集和施工放样中则更快。例如，使用Timble4800GPS接收机的RTK进行定位时，仅需要5s的时间就可以得到测点的具体坐标。

1.4可提供三维坐标，参考价值较高

GPS技术在对观测站平面位置精确测量的同时。还可以非常精确的测得观测站的大地高度，在通过覆盖测区几个经联测高程后的GPS控制点进行水准面拟合后，可方便的得到其他GPS控制点的高程最终形成三维坐标提供给使用者，减少大范围和山区进行水准测量的作业强度和难度。

1.5自动化程度极高，降低操作难度

目前GPS接收机的发展趋势愈发趋向于小型化和操作傻瓜化，使用者在使用时只需要将天线对中、整平，确定天线高度，随后打开观测电源，GPS接收机就可以自动进行工作，除将观测到的数据进行处理得到三维坐标需要通过数据处理软件，其他包括卫星捕获、跟踪观测等工作都是由接收机自身自动完成的。这种接近全自动的工作方式大大降低了使用者的操作难度，提高了测量工作效率。

1.6受外界干扰较小，可24小时全天候作业，

GPS技术可以在任何时间、任何地点连续不断地进行观测，轻易不会受到诸如天气等外界条件的干扰。

2　 GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中应用概述

GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中主要是通过加密联测国家三角点，来达到布设和加密铁路线路控制网的目的。

从专业角度而言，在铁路导线测量中，相对较高级别的控制网需要通过首级控制网进行控制。但是目前我国首级控制网的测量手段和方法在一般等级的铁路测量中并没有得到规范和明确。因此，铁路导线测量工作需要借助GPS快速静态定位技术进行。根据铁路导线测量的特点和技术要求，使用GPS快速静态定位技术进行数据采集可以有效提高作业的效率，大大降低测量中的人为误差。

在具体的测量实践中，每一个流动观测站上的GPS接收机不仅会进行静止观测，还会在此同时接收基准站和测量卫星观测到的同步数据，再随时计算出用户站点的准确三维坐标。GPS快速静态定位技术可以实现铁路导线测量的加密工作，迅速准确地测量出使用者所需数据。例如，在汉宜铁路的某段铁路导线测量工作中，施工者通过使用GPS快速静态定位技术顺利、快速地完成了大约86km的控制点加密工作和控制网复测工作，使汉宜铁路的建设工作得以顺利开展。

3　 GPS快速静态定位技术在铁路导线测量中的具体工作方法

3.1多种布设方式

使用GPS快速静态定位技术进行铁路导线测量时，首先要进行控制点或线路式导线控制网布设。一般情况下，布设方式常见的有边点连式、单三角形网式、星状网式三种[3]。（如图1、图2、图3所示）

3.2根据布设方法灵活进行观测

图1　边点连式

图2　单三角形网式

图3　星状网式

一般情况下，铁路导线网会沿着铁路线进行线状布设，在首级GPS控制网的基础之上会进行附合导线的布设。这个过程中会使用两台或两台以上的GPS接收机，布设方式仍旧是图1、图2、图3的三种方式。GPS快速静态定位技术通常会使用两次设站法进行测量，只需要几小时以内在不同的观测点上分别观测几分钟，就可以成功确定准确的结果，并不需要几个小时都持续进行观测。在具体实践中，为了能够使控制网的可靠性更高，尽量保证GPS接收机可以形成三边形或者四边形的网络。

3.3准确进行精度分析

通常情况下，GPS接收机的标称精度在±( 10 mm+2×10-6D)和±(5 mm+1×10-6D)这一范围内。

正常情况下，GPS测量相邻点弦长中误差为

在这个公式中，a代表固定的误差，b代表比例误差的系数，D则是指空间距离的平均值。

例如，边长为6km时，两种GPS接收机的误差分别是：

再根据上述仪器标称精度和理论计算，GPS平面精度则可以评定为:

由此看来，使用GPS快速静态定位技术进行铁路导线测量产生的误差在允许范围内，可以满足首级导线点、交点、中线控制桩的精度要求。

3.4实践应用

通过上文描述可知在理论上，将GPS快读静态定位技术应用到铁路导线测量中是完全可行的。事实上，这个方法不仅具有理论指导性和可行性，更具有真正的实践价值。

在张唐铁路的建设过程中，就充分利用GPS快读静态定位进行导线测量工作。张唐铁路的最大设计时速为160 km/h，根据《铁路工程测量规范》的要求，铁路的平面控制测量必须满足一级导线的要求[4]。

在建设过程中，工作人员按照图1所示的边点连式布设方式利用GPS快速静态定位技术进行测量。测量数据收集完成后，工作人员接连进行了数据预处理、基线解算、网平差处理等项工作，最终结果表明，数据解算的各项指标均满足《铁路工程测量规范》中有关五等GPS的要求，其中5472点位的导线点中误差最大为仅为3.9 m，比之一级导线点位中的5cm误差的限差要小得多。

再将GPS快速静态定位技术得出的测算结果与全站仪导线技术的结果进行比较，则更能看出GPS快速静态定位技术测算结果的准确性。（具体对比如表1）