基于千寻定位的铁路定测GNSS RTK中线测量数据分析

梁 旺

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

在铁路项目建设过程中,若中线测量成果精度较差,会导致铁路项目线路平纵断面设计失真,整体建设质量严重下降。因此,采用先进测绘技术应用于铁路勘测设计工作很有必要。

GNSS RTK测量过程中,各个测点之间处于独立分离状态,不能形成可供检核的有效几何图形,导致无法验证测量点位坐标的准确性和可靠性。千寻定位系统则是利用遍布全国各地的基准站建立一个基准站网,采用网络RTK获取差分数据,使测量成果具有较高可靠性。已有学者开展相关研究,刘东军对千寻位置服务和CORS系统获得测点平面坐标和高程进行比较,分析千寻位置服务和CORS系统服务之间的系统差值,认为千寻位置获取数据具有与省级CORS系统相同平面坐标和高程精度,满足大地测量、国土测绘的精度要求[1]。

在行业测绘方面,许冬等为千寻位置服务在电力勘测设计测量中提供应用案例[2];吴胜平等利用千寻位置提供厘米级精度的定位服务,对管道走向及管线的特征点进行准确定位,并通过千寻位置形成的数据库对燃气管道作风险评估[3];江木春等论述比对RTK测量、CORS系统测量和千寻位置的定位导航技术,认为千寻知寸测量方法能满足大范围、长距离和跨省区航道测量要求[4]。目前,千寻定位GNSS RTK测量技术在各自专业测量领域已有应用,并取得一定的工程实践成果,但在铁路领域的应用还相对较少。

以下基于千寻定位采用GNSS RTK技术进行铁路定测阶段的中线测量工作[5],对其获取数据与传统GNSS RTK获取数据进行比对分析,并对此技术在铁路勘测设计方面的应用进行充分整合,深入探讨基于千寻定位的GNSS RTK技术在铁路勘测阶段应用的可行性。

2 GNSS RTK和千寻定位技术

2.1 GNSS RTK测量技术

GPS的实时动态定位技术简称GNSS RTK或RTK。RTK定位技术是一种基于载波相位观测值的实时动态定位技术,能实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在RTK作业模式下,参考站通过数据链(电台、手机)将其观测值和测站坐标信息传送给流动站;流动站不仅通过数据链接收来自参考站的数据,还要采集GNSS观测数据,并在系统内组成差分观测值,再给出流动站的三维定位结果。

2.2 千寻定位技术

千寻位置是基于北斗卫星系统全球定位系统(BDS)、全球定位系统(GPS)、全球卫星导航系统(GLONASS)和伽利略卫星导航系统(GALLILEO)卫星导航系统的基本位置数据,以“互联网+位置”概念为基础,采用2200个以上的地面基础增强站和自主网络技术开发的侧位算法进行大数据计算。千寻定位采用网络运营模式,整合流媒体和流媒体产业,促进固定场景应用,实现部门、地区及用户之间的资源调整和数据共享,可满足产业及大众市场的准确位置服务需求。

目前,在铁路定测阶段中线测量等工作中,采用GNSS RTK测量方式较多,但耗时耗力。基于千寻定位的GNSS RTK技术具有使用便捷、精度高等优点,若在铁路定测阶段针对性的使用,可在一定程度上解决以往单基站模式测量效率较低、测量时间长、测量成本高等问题,提高铁路勘测数据的准确性和可靠性。

3 实验设计

铁路勘测过程中,由于各阶段的测量内容不同,所使用的仪器设备和测量方法也各不相同,以下主要研究基于千寻位置的高精度RTK能否满足铁路定测阶段中线测量的相关要求。

目前,定测阶段铁路中线测量多采用单基站RTK模式,即单个基站RTK系统使用单个基站接收来自GNSS获得的原始数据并进行初步计算,然后采用专业算法进行分析和处理,以标准RINEX数据格式为参考,对星历和GPS接收机的原始观测数据进行归档记录。之后,通过无线传输技术,将原始观测数据文件上传到指定服务器上,供该系统内的用户进行数据下载,差分数据统一由管制和控制中心进行分发。流动站用户需要高精度定位时,通过GSM或者GPRS手机直接拨号到控制中心,获取差分数据,同时可计算实时获得流动站的平面和高程数据。

单基站GNSS RTK测量系统的整体设备包括GNSS基站、数据服务器、网络通信模块和流动站。

实验模拟铁路定测阶段场景,在有定测平面高程控制网条件下,以千寻定位和单基站2种方式分别测量已知中线测点的坐标和高程,并与原有中线测点平面坐标和高程成果进行比对分析,以验证是否满足《铁路工程测量规范》中线测量的要求(中桩桩位限差纵向0.1m;横向0.1m。中桩高程,两次测量成果的差值≤0.1m)。

4 数据分析

4.1 数据获取

某铁路定测期间,随机选择3处地段,分别按常规单基站作业模式和千寻定位模式进行测点采集。

常规单基站作业模式:先利用定测精测网CPⅠ和线路水准基点,按10km左右分段求解测区转换参数并划分测区,输入GNSS接收机手簿,现场进行CPI点的外业复核后,再进行中线测点采集。

千寻定位模式:中线测点采集作业与常规单基站作业模式相同。不同点在于,单基站模式需要人员2人, GNSS接收机2台。其中GNSS基站1台(含电台)、流动站1台;千寻定位模式完成相同外业任务,仅需人员1人,流动站1台,不需GNSS基站,仅依靠千寻账号接收网络信号即可。

利用千寻定位和单基站模式分别采集中线测点共计240个,其平面坐标较差和高程较差见表1。

表1 千寻定位与单基站模式测量成果比较 m

经统计,240个测点的坐标较差中误差为0.026m,最大值为0.103m,较差小于0.1m的占比为99.58%;高程较差中误差为0.030m,最大值为0.136m,较差小于0.1m的占比为98.23%。数据统计见图1。

图1 千寻定位与单基站模式较差统计

4.2 精度评定

以单基站测量数据为真值,以对应点位千寻位置测量结果为分析值,分别计算各点位平面较差中误差(北坐标较差、东坐标较差、坐标较差)和高程较差中误差,对基于千寻位置服务高精度RTK测量结果进行点位精度分析,有

式中,mx为平面坐标北方向坐标分量中误差;my为平面坐标东方向坐标分量中误差;n为测区范围内的检核点数量。

基于千寻位置服务高精度RTK测量结果的平面中误差,可根据x、y方向的中误差进行计算,有

经统计,千寻定位与单基站模式较差见表2。

表2 千寻定位与单基站模式较差统计 m

4.3 数据分析

经分析,测量结果有以下特征。

(1)实验数据满足正态分布规律。

(2)坐标较差、高程较差中误差均小于0.050m。坐标较差、高程较差小于2倍中误差(即0.010m的测点数量占比分别为99.58%、98.33%),置信水平较高。个别较大误差均为不可重复测量的中线测点,可视为测量粗差。

(3)定测实验坐标较差、高程较差中误差较小,是因为定测阶段采用较为密集的CPI和线路水准基点做为首级测量控制,测区进行分段和更为严格的约束所致。

(4)数据误差分析表明,采用基于千寻定位的GNSS RTK进行铁路定测阶段中线测量,可以达到单基站GNSS RTK测量的精度指标,即中桩桩位限差纵向0.1m、横向0.1m;中桩高程两次测量成果的差值不大于0.1m。

5 结论

(1)对铁路定测阶段的千寻定位中线测量方法进行研究,将基于千寻位置服务高精度RTK的中线测量成果与单基站中线测量成果进行对比。研究表明:基于千寻位置服务高精度RTK测量成果精度较高,在相同转换参数条件下,单基站RTK测量的坐标较差、高程较差中误差均优于0.05m,表明基于千寻定位的GNSS RTK的中线测量成果可满足《铁路工程测量规范》要求,可以做为现有单基站RTK测量中线作业的替代方式。

(2)千寻定位覆盖范围较广,能够实现全国大多数地区的基础测量工作,具有极大的便利性,可广泛应用于较长距离的铁路勘测工作,尤其是为跨省区的铁路勘测提供较好的解决方案。