GPS技术在贵南高速铁路竣工测量中的应用

摘要：全球定位系统（Global Position System，GPS）技术在贵南高速铁路建设中发挥着关键作用，其精准定位、实时监测、数据记录与分析及提高工作效率等优势使其成为不可缺少的工具。竣工图是高速铁路建设的重要资料。随着现代经济社会的发展，越来越多的高速铁路项目正在建设中，竣工图作为对高速铁路进行验收、运营、维护和改造的可靠依据，对整个工程来说起着至关重要的作用。通过对贵南高速铁路（贵州段）竣工图的测量，重点探讨GPS技术在贵南高速铁路竣工测量中GPS的控制网布设、观测及后期数据处理和平差计算。

关键词：GPS技术 ； 技术原理；贵南高速铁路竣工测量； 精度要求

Application of GPS Technology in the As-Built Survey of Guinan High-Speed Railway

ZHANG Hongbo

Guizhou First Surveying and Mapping Institute， Guiyang， Guizhou Province， 550025 China

Abstract： Global Position System （GPS） technology plays a key role in the construction of Guiyang-Nanning high-speed railway. Its advantages of precise positioning， real-time monitoring， data recording and analysis， and improved work efficiency make it an indispensable tool. As-built drawing is an important data of high-speed railway construction. With the development of modern economy and society， more and more high-speed railway projects are under construction. As-built drawing， as a reliable basis for acceptance， operation， maintenance and transformation of high-speed railway， plays a vital role in the whole project. Based on the survey of the as-built drawing of Guiyang-Nanning high-speed railway （Guizhou section）， this paper focuses on the GPS control network layout， observation， post data processing and adjustment calculation in the as-built survey of Guiyang-Nanning high-speed railway.

Key Words： GPS technology; Technical principles; As-built survey of Guiyang-Nanning high-speed railway ; Precision requirement

随着现代科技的不断发展，全球定位系统（（Global Position System，GPS））技术在工程测量领域的应用日益广泛，特别是在高速铁路建设中，GPS技术的精准定位、实时监测和数据处理能力为工程测量提供了强大支持。贵南高速铁路作为贵州省的一项重要交通基础设施工程，其竣工测量对于铁路的验收、运营和维护具有至关重要的意义。本文将探讨GPS技术在贵南高速铁路竣工测量中的应用，重点关注GPS控制网的布设、观测、数据处理和平差计算等关键步骤。通过对GPS技术在高速铁路竣工测量中的应用进行深入分析，可以更好地理解其在工程测量中的作用和优势，为类似工程的实施提供有益借鉴。

1 GPS技术分析

1.1 GPS技术的应用优势和功能

GPS技术提供了高精度的位置信息。通过在地面控制站和铁路工地等关键位置安装GPS接收设备，工程团队可以实时获取铁路线路的精确位置和轨道布局，这对于确保铁路的设计与实际施工精准匹配至关重要。通过GPS技术，还可以进行铁路线路的地形测量和地貌分析，帮助工程团队更好地理解施工环境，合理规划铁路线路的走向和高低起伏。GPS技术能够实时监测地质变化和地形起伏，通过安装GPS设备进行连续观测，工程团队可以及时发现地质灾害风险、土壤松软区域及其他潜在的施工障碍，这有助于提前采取相应的防范和调整措施，确保铁路施工的安全性和稳定性。

1.2 GPS技术的作用

通过将GPS设备与施工机械和车辆连接，工程团队可以实现施工过程中的时间同步，提高了施工的协调性和效率。GPS技术还可以用于监控施工车辆的运行路线和速度，避免碰撞和交通堵塞等问题，确保施工安全。铁路竣工后，GPS技术仍然可以发挥重要作用。通过持续监测铁路线路的变形和沉降情况，工程团队可以及时发现并处理铁路运行中的安全隐患，确保铁路的安全运营和持续稳定。GPS技术在贵南高速铁路竣工测量中的应用不仅提高了施工的精度和效率，还确保了铁路的安全运营，为铁路工程的顺利完成和长期运行提供了可靠的技术支持。

1.3 GPS系统的组成及定位原理

GPS系统是一个复杂的全球定位和导航系统，其精确定位能力和广泛应用使其成为现代社会不可或缺的一部分。卫星系统是GPS的核心，其由24颗运行在不同轨道上的卫星组成，这些卫星覆盖了全球范围，并以高度精确的轨道运行，确保了在任何时间和地点都能够接收到至少4颗卫星的信号。控制段由地面控制站组成，这些站点负责监控卫星的运行状态、校正卫星钟差、更新轨道信息等，以保证卫星系统的准确性和稳定性。用户段则包括了各种各样的GPS接收器，从智能手机、汽车导航到航空器和船只，这些接收器能够接收卫星信号并计算出接收器的位置、速度和时间信息。GPS的定位原理是基于三角测量法，通过测量不同卫星信号的到达时间差，以及卫星与接收器之间的距离，利用数学模型来计算出接收器的精确位置。这项技术不仅为民用提供了便利，如车辆导航、户外探险等，同时也在军事、科学研究、地质勘探等领域发挥着重要作用。综上所述，GPS系统凭借其精确的定位能力和广泛的应用领域成为了现代社会中不可或缺的关键技术之一[1-2]。

2 GPS技术在贵南高速铁路竣工测量中的应用

以贵南高速铁路（贵州段）1∶2000竣工图测量为例，探讨GPS技术在贵南高速铁路竣工测量中的应用和GPS技术在竣工测量中发挥的重要作用。高速铁路以载客量高、耗时少、安全性好、正点率高、舒适方便、能耗较低、经济效益好、节约能源和减少环境污染的优点使人们出行更加便捷，速度快，安全性高，可带动相关产业的发展，拉动与之相关的产业快速向前推动，极大增强军事国防力量、增强中国在国际社会上的地位和信心。

2.1贵南高速铁路沿线工程概况

贵南高速铁路位于广西西北部和贵州东南部，是连接中西部两个重要省区省会城市的重要交通纽带，是国家《中长期发展规划》“八纵八横”高铁网包（银）海通道的重要组成部分。其北起贵阳，向南经龙里、贵定、都匀、独山、荔波和广西壮族自治区的环江、金城江、都安、马山、武鸣等地，止于南宁市，正线全长482.332 km，共设14座车站，设计速度350 km/h，是衔接“一带一路”陆路南北新通道的重要组成部分，具有十分重要的战略意义。为满足贵南高速铁路竣工验收和运营管理需要，本次测量范围为贵南高速铁路（贵州段）自贵阳市经黔南州（不含引入贵阳枢纽部分）涉及龙里县、贵定县、都匀市、独山县、荔波县5个县（市），铁路施工里程DK000+000-DK196+450，约200 km，总面积约410.7831 hm2，测量内容为铁路用地范围红线外30 m的控制测量、地形测量、竣工测量。

2.2 GPS技术在铁路竣工测量中的精度要求

高速铁路为城市之间的快速交通来往和旅客出行提供了极大便利，同时也对铁路设计选线提出了更高的要求。在时速高达200～350km/h的客运专线铁路中，为满足高速行驶下旅客列车的安全性和舒适性，必须严格按照设计施工，保持精准的几何线性参数，精度要保持在毫米级的范围以内。利用GPS技术，能够进行毫米级精度的静态相对定位、厘米级精度的动态相对定位、厘米级精度的速度测量及毫微米级精度的时间测量，所以，利用GPS技术，完全能满足高速铁路测量的精度要求。

按照铁路技术管理相关规程，新建和改扩建工程竣工后，应按规定进行验收。为了满足高速铁路竣工验收的要求，高速铁路竣工验收前应进行竣工测量。竣工测量的目的：一是对高速铁路的线下工程空间位置、几何形态和轨道平顺性进行客观的评定，为工程验收提供必要的基础资料；二是为高速铁路交付运营，竣工测量的成果将作为运营维护管理基础资料。竣工测量是真实反映施工后建（构）筑物实际位置的最终表现，也是后续阶段设计和管理的重要依据，关系着铁路建成投产后进行生产管理和变形观测的需要，同时也可以进一步检测铁路施工是否达到高速铁路所需的精度及平顺性的要求[3-7]。

2.3贵南高速铁路竣工测量已有资料分析

2.3.1施工设计图

设计单位是中国中铁二院工程集团有限责任公司，坐标系统为CGCS2000国家坐标系。

2.3.2勘测定界图

施测单位是贵州省基础地理信息中心，坐标系统为1980西安坐标系，高程系统为1985国家高程基准，等高距为2 m。

2.3.3基础控制资料

项目区5个县（市）境内有16个C级GPS点和8个GZCORS站点：H089、H095、H318、H343、H346、H347、H348、H529、H531、H532、H533、H587、H588、H592、H590、H595和GYGY（贵阳站）、GZSD（三都站）、QNLB（荔波站）、QNDS（独山站）、QNDY（都匀站）、QNPT（平塘站）、QNGD（贵定站）、QNYW（云雾站），保存完好，坐标系为CGCS2000国家坐标系，高程系统为1985国家高程基准，可作为控制网的起算点。

2.4 贵南高速铁路竣工测量E级GPS控制测量

2.4.1主要技术路线

根据甲方划定的作业范围，对现场进行踏勘，布设控制网。利用铁路沿线周边的16个C级GPS点和8个GZCORS站点，对测区控制网进行联测，约5 km布设一对点。利用专用软件，对控制观测数据进行解算。然后，根据相关规程、规范及本设计书的要求和规定，输出项目E级GPS控制网平差计算报告和点之记。

2.4.2 E级GPS控制网布设

在铁路沿线拟布设一个由90个E级点（每5 km左右布设一对）组成的GPS控制网，控制网要覆盖测区约200 km范围，满足地形测量、竣工图测量要求。

2.4.3 E级GPS控制点选点、埋石和编号

（1）选点。在区间线路上，每隔5 km左右布设一对GPS点，GPS点应尽量布设在便于埋设、观测和保存的位置。每对GPS点必须通视，以便于下一级控制点的发展。根据站场的的大小，每个站场内外各布设2～3个E级GPS点，要求两两通视，以便于下一级控制点的发展及后期站场补测。

（2）埋石。本测区E级GPS点埋设尽量选择在坚固便于保存的地方，埋设项目专用GPS控制点标志，四周切割或刻制20 cm×20 cm边框，也可采用混凝土浇灌标心浇注项目专用GPS控制点标志。如遇特殊情况，可在岩石或水泥地面上刻制控制点，边框尺寸为20 cm×20 cm，在框中心刻制十字丝。

（3）编号。E级GPS点编号采用“E”加流水号（二位数字），如：“E01”。

2.4.4 E级GPS控制点观测要求

控制网采用南方GPS进行测量，采取边点混连方式布网。为保证GPS控制网精度要求，观测采用静态定位模式，其观测技术要求如表1 所示。

GPS外业观测时段长度应根据同步观测点间距离、观测条件等情况适当延长，每次设站的天线高度应量记两次，每一时段取用N-1（N为同步观测设站数）条独立基线参与平差计算。

2.4.5 E级GPS控制点数据处理及平差计算

测区东西跨度长约200 km，按照设计要求，对其布设及施测了90个GPS点、联测16个国家C级GPS点和8个GZCORS站点，共114个点，布设成一个E级GPS控制网，统一进行平差计算。

平面采用国家高等级点GPS点GZSD（三都站）、QNLB（荔波站）、QNDS（独山站）、QNDY（都匀站）、QNPT（平塘站）、QNGD（贵定站）、QNYW（云雾站）7个点起算并作约束平差，高程采用GZSD（三都站）、QNLB（荔波站）、QNDS（独山站）、QNDY（都匀站）、QNPT（平塘站）、QNGD（贵定站）、QNYW（云雾站）7个点大地高起算并作约束平差，利用国家C级控制点H595、H590、H588、H587、H533、H532、H531、H348、H346、H343、H095、H089作为检校点，然后用贵州拟大地水准面模型双线性内插计算获得各点正常高。

2.4.6 E级GPS基线向量的计算和检核

（1）基线解算、平面及高程平差采用天宝Trimble.Business.Center.v5.20静态处理软件进行后处理，采用固定双差解的基线成果，个别长边也可采用经同步环闭合差检核的浮动双差解成果。

（2）E级GPS控制网的基线精度按公式∂= 算。式中，∂为基线长度中误差（mm），a为固定误差（mm），b为比例误差系数（mm/km），d为平均边长（km）。

（3）外业作业中，应及时对观测值进行处理，对同步环、重复基线和异步环进行检核。异步环边数不多于6条，其闭合差限差按表2执行。

复测基线的长度较差Δd≤2√2σ倍。表中，n为闭合环边数，σ为相应级别规定的精度（按闭合环平均边长计算）。

（4）当同步观测时间少于40％时，可以视为非同步观测。

（5）当用N台接收机同步观测时，独立基线向量取N-1条。

（6）无约束平差中，基线向量的改正数绝对值应满足下式：

VΔx≤3σ，VΔy≤3σ，VΔz≤3σ

式中，σ为相应级别规定的精度。否则，认为该基线或附近存在粗差基线，应采用软件提供的方法或人工方法剔除粗差基线，直至符合上式要求。

2.4.7 E级GPS控制网平差计算

（1）平差计算可采用GPS供应商研制的GPS控制网平差软件。首先，应进行无约束平差，以分析GPS观测值中是否存在粗差，确定无粗差后，再进行约束平差。

（2）0GPS控制网平差精度应满足下列要求。

①控制网测量中误差按下公式计算：

式中，m为控制网的测量中误差（mm），N为控制网中异步环的个数，n为异步环的边数，W为异步环环线全长闭合差（mm）。

②控制网测量中误差应满足基线精度要求，并符合公式m≤σ的规定。

③控制网约束平差后，最弱边相对中误差要≤1/40000，约束点间的边长相对中误差要≤1/100000。

3 结语

本文阐述了 GPS技术系统的组成及定位原理，同时介绍了GPS技术在贵南高速铁路竣工图的施测，重点介绍了GPS控制网的布设、选点、埋石、编号、观测、数据处理和平差计算的过程及对测量的精度要求。通过以上介绍，可以得到GPS技术应用在贵南高速铁路竣工测量中的几个优点。

（1）精度高。由于GPS技术的先进性，使得测量的精度大大提高。

（2）效率高。GPS技术以其灵活的作业方式，在与全站仪相配合下，使得作业效率大大提高。

由于GPS卫星信号的局限性，在施测时也需注意几点。

（1）GPS控制布网选点时，应选在卫星信号好的地方，以保证控制点的精度，同时也要保证能与另一点通视。

（2）GPS图根控制测量时，应尽量多测几组数据，再取其平均值作为图根控制点的坐标数据。

（3）GPS碎部点测量时，应待其固定后方可采集。

GPS技术以其高精度、高工作效率的特点必将在测绘领域的各个方面得到广泛应用。

参考文献

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[2]中华人民共和国自然资源部（测绘地理）.《卫星导航定位基准站网络实时动态测量（RTK）规范》GB∕T39616-2020[S].北京：国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会，2020.

[3]任鑫磊.测绘新技术在建筑工程规划竣工测量中的应用分析[J].科技资讯，2023，21（12）：109-112.

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