DGPS技术在铁路行业的应用

罗年有， 李聪旭， 王英杰， 孙慧

（北京经纬信息技术有限公司，北京 100081）

0 引言

随着GPS、北斗卫星导航系统［1］地建立和完善，接收卫星定位数据在铁路行业各专业领域得到了广泛应用，如房屋勘测［2］、轨道采集、应急救援等，这些工作大多采用GPS接收卫星反馈的数据。铁路行业对采集数据的精准度要求很高［3］，普通手机接收到的GPS数据达不到应用要求，需要进一步研究如何获得更精准的数据。

1 GPS定位及误差

GPS通过观察、测量1组卫星的伪距、星历、卫星发射时间、钟差等实现定位。想要获得地面点的三维空间数据，必须对至少4颗卫星进行观测，在定位过程中，会产生3部分误差，第一部分是公有的卫星误差，如星历、电离层、对流层、卫星钟误差等；第二部分是传递误差，由卫星发射到用户接受所延迟的时间导致；第三部分则是内部误差，如接收机内部噪声、通道、多路径效应误差等［4］。

2DGPS技术

GPS提供了2种服务，一种是精确定位服务（PPS），一种是标准定位服务（SPS）［5］，精确定位服务不公开提供，地图定位都是标准定位服务，标准定位服务因人为因素造成误差，降低了精度，想要获取高精度坐标的用户需要使用差分技术，提高标准定位服务精度，从而形成了差分全球定位系统（DGPS）。

DGPS工作原理是基站通过观测卫星计算出一个地点定位数据，和已知的该地点高精度数据相比较，得到一个修正量，将修正量通过广播或数据链的形式传递给用户，用户使用该修正量对自己获取的GPS数据进行校正，从而得到较高精度的定位数据。差分GPS可以消除第一部分误差和部分第二部分误差，第三部分误差则无法消除。根据发送修正量内容的不同，DGPS可分为三大类：位置差分、伪距差分和相位差分［6］，差分方式虽然不同，但原理相同，都是发送修正量，不同的是修正量内容不同，精度也不同。

2.1 位置差分

位置差分是最简单的一种差分技术，使用非常局限，它要求用户和基准站观测的是同一组卫星，而且两者之间相距不超出100 km，数据精度较其他方式低，数学模型也比较简单。位置差分技术发送的数据是一段位置改正数矢量，工作原理见图1，P’点是基准站观测的定位位置，P点是基准站已知的定位位置，由于各种误差的影响，P点和P’一般不会重合，P’P是位置差分中的改正数矢量，基准站将矢量发送给用户，用户通过GPS获得的数据和矢量进行运算得到较高精度的坐标。

图1 位置差分技术工作原理

2.2 伪距差分

伪距差分是目前运用比较广泛的一种技术，相对位置差分技术而言，它不要求用户和基准站观测同一组卫星，数学模型复杂，其发送的数据是一串数据链，包括伪距、伪距改正数、伪距改正数的变化率等，假设已知基准站的坐标为X0、Y0、Z0，卫星坐标为Xj、Yj、Zj，则基准站到卫星的实际距离为：

如果基准站检测到的伪距为，则伪距改正数

伪距改正数的变化率为d为：

用户通过GPS获得的数据和数据链中的参数进行计算获得改正后的伪距如下：

假设用户坐标为（X（t），Y（t），Z（t）），其计算公式为：

式中：cδt（t）为用户接收机相对基准站的钟差；Vi为用户接收机的噪声。通过一组数据代入公式，消除不需要求解的参数，从而求解X（t）、Y（t）、Z（t）［7］。

2.3 相位差分

相位差分是精度最高的差分技术，通过计算卫星信号的载波相位来计算定位坐标。不受距离影响，不需要用户和基准站参考同一组卫星，数学模型复杂，发送数据也是一串数据链，假设卫星播发信号为φj(Tk)，接收机本地参数信号为φk(Tk)，接收机钟差为，模糊度为，那么相位观测量方程如下：

式中：用户关心的坐标X、Y、Z就隐含在中，通常将相位观测量做一些组合，消除不必求出的参数，求解出用户关心的坐标，常用的组合方式有单差、双差、三差。单差是2个接收站之间同一个卫星同步载波相位取差；双差是在单差基础上，不同卫星之间再取差；三差是在双差基础上，不同历元之间再取差［8］。

3 市场调研及实现方案

差分GPS技术的核心算法需要硬件支持，市场上普通手机无法满足要求，无法做到高精度定位，只有安装特制板卡才能通过差分技术获取高精度坐标。而这些算法、板卡制作、定制终端制作是一套复杂而且有难度的工作流程，需要特定的高知识团队完成。目前已有成熟的技术，各大商家开发了很多手持终端，只要使用这种终端再集成差分算法就可以获取高精度坐标。

用户使用安卓系统获取高精度定位的流程为三大步骤：第一步通过账号、密码、IP、端口等数据连接基站获取差分数据；第二步根据数据源和内置板卡计算出高精度坐标；第三步将高精度坐标返还给用户使用。

各大商家APP集成差分算法的方式主要有以下几种：

（1）SDK集成。将计算算法打包封装成SDK，开发者只需要将SDK集成至APP，根据API文档传入账号、密码、IP、端口等信息，调用对应接口连接基站、获取高精度坐标即可。其特点是：操作简单；不需要和其他APP或者小程序进行交互；因为集成了SDK，APP的体积会增大；不支持更换终端，SDK只支持自家的终端，如果更换终端，SDK无法使用。

（2）应用交互集成。商家开发的APP或者小程序完成了通过账号、密码、IP、端口连接基站、获取高精度的操作，开发者只需要在自己的APP中向商家APP发送指令、连接服务、返回高精度数据即可。其特点是：操作简单；需要和其他APP或小程序交互，终端必须同时安装自己的APP和商家的APP或小程序；因为不需要集成SDK，APP的体积不会改变；也不支持更换终端，因为商家APP不同，交互方式不同。

（3）底层交互集成。商家开发的APP或者小程序完成了通过账号、密码、IP、端口连接基站、获取高精度的操作，将高精度坐标下发到安卓系统的底层，开发者直接从底层获取高精度坐标。其特点是：操作简单；直接和底层交互，虽然不需要和商家APP进行交互，但要安装商家APP，需要连接差分服务，向底层发送高精度坐标；不需要集成SDK，APP的体积不会变；因为从底层获取数据的接口是安卓标准API，所以支持更换终端。

4 铁路勘测中的作业模式

随着专业技术软件和硬件的发展，铁路行业已经逐渐形成勘测、设计、施工、后期管理一体化的数据链，其中勘测非常重要，设计、施工、后期管理都需要勘测数据的支撑。勘测数据精度直接影响绘图标准，从而影响设计及施工。在铁路勘测行业中，获取高精度的地理数据非常重要。

4.1 选择作业时段

铁路沿线地物、地貌复杂多变，为获取完整的数据，必须根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。卫星的几何分布越好，定位精度就越高，可用Planning软件查看多项预测指标来判断卫星的分布情况，根据预测结果合理安排工作计划。

4.2 建立测区控制网

根据中线放样资料用GPS静态测量方法建立测区控制网，相邻点间距5～8 km，并与国家点联测，求出各控制点平面坐标，同时考虑投影变形。变形程度与测区地理位置和高程有关，铁路线路短则数十公里长则上千公里，跨越范围广，线路走向、地形情况千差万别，长度变形各不相同。在三度投影带边缘，长度变形可导致中线桩从图上反算的放样长度与实地测量长度不一致，无法满足放样要求，因此必须采取相应措施削弱长度形。

4.3 高程控制测量

GPS得到的高程是大地高，而实际采用的是正常高，需要将大地高转化为正常高。而测区的高程异常是未知数，且高程异常的变化较复杂，尤其在山区精度较差。此外，新线定测要求约每隔2 km设置水准点，而有些地形环境不能满足GPS观测的条件，采用高程拟合的方法不能保证得到需要的高程精度。完全用GPS替代等级水准难度大，因此等级水准仍采用水准仪作业模式。

4.4 求解转换参数

合理选择控制网中已知的WGS84和北京54坐标（或地方独立网格坐标）以及高程的公共点，求解转换参数，为DGPS动态测量做好准备。选择转换参数时要注意2个问题：（1）选测区四周及中心的控制点均匀分

布；（2）为提高转化精度，最好选3个以上的点，利用最小二乘法求解转换参数。

4.5 基准站设置

基准站设置除满足GPS静态观测条件外，还应设在地势较高、四周开阔的位置，便于电台发射。可设在具有地方网格坐标和WGS84坐标的已知点，也可在未知点设站。

4.6 放样数据准备

利用测量内、外业一体化程序完成全部计算工作。将线路的起点坐标、方位角、加直线长度及曲线要素输入，程序根据里程计算出全线待放样点的坐标，其中直线上每50 m一个点，曲线上每10 m一个点。按相应的数据格式将放样点坐标导出成TrimbleDC文件，通过DataTransfer将Dc文件导入到外业掌上电脑供外业调用。

4.7 外业操作

将基准站接收机设在基准点，开机后进行必要的系统设置、传输设置及天线高输入等工作。流动站接收机开机后首先进行系统设置，输入转换参数，再进行流动站设置和初始化工作。通常公布的坐标系统和大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差，因此要通过点校正来减少这些偏差，获得更精确的当地网格坐标，且确保作业区域在校正的点范围内［9］。

5 传统模式与DGPS的差异

传统的勘测手段采用GPS静态或快速静态方法，建立沿线基础控制测量、像控测量，为勘测阶段测绘1∶2 000比例尺的带状地形图提供依据［10］。这种技术需要勘测人员背负繁重的勘测设备搭建基准站以及连接高精度的勘测设备，当勘测地点是比较陡峭的桥梁或者隧道时，还需要建立施工安全网，防止意外发生。该模式的测量方法受通视和作业条件限制，作业强度大、工作效率低、危险系数高，大大延长了铁路勘测设计周期，比较严重的缺点是无法实时获取高精度数据，无法实时知道定位精准度，如果作业完成后，后期处理的过程中发现定位精度不符合要求，必须进入测量地区进行重测。

DGPS差分技术正好解决了以上问题，只需要一部手机，就可以进行测量。勘测人员到达勘测地区后，只需将手机上的CORS连接功能打开就可实时获取高精度的数据，而且能够实时观察到定位数据的精准度，可以根据精准度来抉择是否选取、保存数据。这样观测1个点的数据只需几秒时间就能完成测量。相比传统模式测量，大大减少了人力和时间。只要保证获取定位数据的精准度，绘图设计及后期处理就没有问题。

6DGPS技术特点

铁路勘测技术需要实时动态定位，DGPS技术特点如下：实时动态显示经可靠性检验的厘米级精度测量成果（包括高程）；作业效率高，每个放样点只需停留1～2 s；通常初始化时间在10 s内完成，有不间断的自我检核功能；操作简单易学，图形化的放样界面，现场操作员可在几分钟内学会使用；采用徕卡的新型技术，跟踪卫星能力强，抗干扰、能抑制多路径效应等。

7 结束语

DGPS通过对GPS数据的差分来提高数据精准度，其核心是差分算法和板卡。实现高精度坐标的获取，首先需要1台带有特定板卡的终端，然后在终端上连接基准站获取差分数据，差分计算后返回高精度坐标数据。

铁路行业采集数据时，在手持终端的APP中，通过集成DGPS服务可以有效帮助GPS数据提高精准度，降低开发高精度数据的难度，简单、快速获取到高精度的坐标信息。目前差分服务的集成方式有3种：SDK集成、应用交互集成和底层交互集成。3种方式各有优劣，根据实际情况选择最符合条件的集成方式。

DGPS在铁路勘测中的应用，极大地提高了勘测精度和勘测效率。这种技术非常适合路线、桥、隧道勘测，可以直接进行实地实时放样、中桩测量、点位测量等。DGPS技术不仅可达到较高的定位精度，而且大大提高了测量工作效率，通过相应的数据处理程序，大大减轻测量人员的内、外业劳动强度。