黃軍俠

GPS是英文縮寫詞“NAVSTAR/GPS”的簡稱,全名是“NAV-igation System Timeing And Ranging/Global Positioning System” ,即“授時(shí)與測(cè)距的導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”。隨著GPS系統(tǒng)的發(fā)展,GPS以其全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于測(cè)繪各個(gè)領(lǐng)域。

隨著國家對(duì)鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的投入,鐵路建設(shè)進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)期,特別是高等級(jí)鐵路技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)測(cè)繪技術(shù)的要求更高,傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求,因此GPS技術(shù)在高等鐵路平面控制測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。

高等鐵路測(cè)量主要應(yīng)用了GPS靜態(tài)測(cè)量和RTK技術(shù)。靜態(tài)測(cè)量主要用于平面控制網(wǎng)的測(cè)量,RTK主要用于實(shí)地放線。本文結(jié)合某高等鐵路平面控制網(wǎng)的測(cè)量說明GPS在靜態(tài)測(cè)量的具體應(yīng)用。

1 測(cè)量原理

GPS系統(tǒng)是由美國建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),利用該系統(tǒng)用戶不但可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速;而且還可以進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和高精度的精密定位。它由三大部分組成：空間部分—GPS衛(wèi)星、地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī);在GPS定位中,空間部分的GPS衛(wèi)星發(fā)射測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文(導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息),用戶用GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收3顆以上的GPS衛(wèi)星信號(hào),測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)(接收機(jī)天線中心)至3顆以上GPS衛(wèi)星的距離并解算出該時(shí)刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo),據(jù)此利用距離交會(huì)法解算出測(cè)站的位置。

2 平面控制測(cè)量

2.1 線路平面控制網(wǎng)的布設(shè)

根據(jù)規(guī)范要求,高等鐵路控制測(cè)量平面控制網(wǎng)按分級(jí)布網(wǎng)的原則分四級(jí)布設(shè),第一級(jí)為GPS基站網(wǎng),第二級(jí)為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ),第三級(jí)為線路控制網(wǎng)(CPⅡ),第四級(jí)為基樁控制網(wǎng)(CPⅢ)。本文以基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)的測(cè)量為例來說明GPS在高等鐵路平面控制測(cè)量中的應(yīng)用。

基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)在第一級(jí)基站點(diǎn)的基礎(chǔ)上,按 3 km～4 km布設(shè)一個(gè)或一對(duì)通視點(diǎn),若成對(duì)布設(shè)其通視邊長以800 m～1 000 m為宜。本線暫按單點(diǎn)進(jìn)行布設(shè),特殊工點(diǎn)(特大橋和隧道進(jìn)出口)按照點(diǎn)對(duì)進(jìn)行布設(shè),全線共布設(shè)約92個(gè)CPⅠ控制點(diǎn)。CPⅠ測(cè)量以四邊形構(gòu)網(wǎng),按邊聯(lián)式帶狀布網(wǎng)。

CPⅠ點(diǎn)位應(yīng)便于安置GPS接收機(jī),周圍視野開闊,便于 GPS衛(wèi)星信號(hào)的接收。其要求：點(diǎn)位要盡量選擇在四周開闊的區(qū)域,在地面高度角15°內(nèi)不應(yīng)有成片的障礙物;點(diǎn)位應(yīng)選擇在交通方便,且利于安全作業(yè)的地方;點(diǎn)位附近不應(yīng)有大面積水域或其他強(qiáng)烈干擾衛(wèi)星信號(hào)接收的物體(如金屬廣告牌等);點(diǎn)位需遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等),遠(yuǎn)離高壓輸電線,其距離均不得小于200 m。

2.2 平面控制網(wǎng)的施測(cè)

GPS作業(yè)時(shí)2個(gè)時(shí)段天線定向標(biāo)志線應(yīng)分別指向正北和正南;每個(gè)時(shí)段觀測(cè)前、后各量天線高一次,兩次較差值小于2 mm,取均值作為最后成果。

觀測(cè)過程中不得在天線附近50 m以內(nèi)使用電臺(tái),10 m以內(nèi)使用對(duì)講機(jī);在一時(shí)段觀測(cè)過程中不允許進(jìn)行以下操作：接收機(jī)關(guān)閉又重新啟動(dòng),進(jìn)行自測(cè)試,改變衛(wèi)星仰角限,改變數(shù)據(jù)采樣間隔,按動(dòng)關(guān)閉文件和刪除文件等功能。同時(shí)觀測(cè)記錄氣象元素。

基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)觀測(cè)技術(shù)按照《客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定》B級(jí)執(zhí)行。觀測(cè)按照四邊形構(gòu)網(wǎng),兩個(gè)時(shí)段連續(xù)觀測(cè),第二個(gè)時(shí)段應(yīng)變換儀器高并將天線定向標(biāo)志指向轉(zhuǎn)180°。按跳躍式遷站,即在地形及人員調(diào)配有利于提高工作效率的前提下,前進(jìn)方向兩臺(tái)儀器不動(dòng)(但要變換儀器高),另外兩臺(tái)跳到前進(jìn)方向下一對(duì)點(diǎn)進(jìn)行同步觀測(cè)。

因施工工期要求,全線不可能統(tǒng)一進(jìn)行CPⅠ控制網(wǎng)的整體平差,而只能分段進(jìn)行測(cè)量、平差、提供成果供后續(xù)工作使用。為了保證各段之間的順接,一般要求每個(gè)測(cè)量段落不能短于4 km,并且要求上下接頭段落應(yīng)重疊測(cè)量2對(duì)CPⅠ點(diǎn)。本段采用4臺(tái)Trimble R8雙頻接收機(jī)觀測(cè)。

在開工前及作業(yè)過程中,按照有關(guān)規(guī)定對(duì)儀器進(jìn)行常規(guī)檢校。觀測(cè)中應(yīng)保證接收機(jī)工作正常,數(shù)據(jù)記錄正確,每日觀測(cè)結(jié)束后,應(yīng)及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)硬盤上,以確保觀測(cè)數(shù)據(jù)不丟失。行基線解算,并通過TGO軟件進(jìn)行基線檢核,兩套軟件解算的基線平差后坐標(biāo)絕對(duì)值較差最大值DX=0.009 5 m,DY=0.008 2 m,符合規(guī)范要求。重復(fù)基線及環(huán)閉合差檢驗(yàn)滿足表1要求。

復(fù)測(cè)基線及異步環(huán)滿足要求后,采用同濟(jì)大學(xué)測(cè)量系的TGPPS Win32軟件進(jìn)行無約束網(wǎng)平差計(jì)算。對(duì)觀測(cè)值后驗(yàn)中誤差、殘差、標(biāo)準(zhǔn)殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,剔除有粗差和明顯的系統(tǒng)誤差,同時(shí)考察網(wǎng)的內(nèi)符合精度,從網(wǎng)平差報(bào)告來看,CPⅠ網(wǎng)無約束平差基線向量改正數(shù)最大值VX=4.8 mm,VY=-5.7 mm,VZ=7.0 mm,分別小于16.3 mm,17.5 mm,25.5 mm的限差。基線向量網(wǎng)內(nèi)符合精度很高,基線向量網(wǎng)的質(zhì)量十分可靠。最后采用TGPPS Win32軟件進(jìn)行整體平差,起算數(shù)據(jù)為GPS基站網(wǎng)的空間直角坐標(biāo)(X,Y,Z),三維固定。CPⅠ控制點(diǎn)平差后點(diǎn)位誤差Mp最大值為4.5mm,小于±10 mm的限差;相對(duì)點(diǎn)位精度3.92 mm,小于15.68 mm的限差;最弱邊相對(duì)中誤差最大為1/3 076 251,小于1/170 000的限差,滿足規(guī)范要求。

從上述所統(tǒng)計(jì)的各項(xiàng)誤差與限差比較可知,GPS網(wǎng)的精度非常高,符合規(guī)范要求。在高等鐵路測(cè)量中,GPS靜態(tài)技術(shù)提高了作業(yè)效率,快速高效的完成了平面控制網(wǎng)的測(cè)量,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求,保證了外業(yè)勘測(cè)工作的順利完成。

4 結(jié)語

表1 基線質(zhì)量檢驗(yàn)限差表

3 數(shù)據(jù)處理及精度分析

觀測(cè)完畢后對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核,點(diǎn)號(hào)、天線量高方式、天線高等數(shù)據(jù)無誤后進(jìn)行基線解算。基線向量解算采用廣播星歷和商用軟件,為保證數(shù)據(jù)的一致性,統(tǒng)一采用商用軟件LGO進(jìn)

GPS應(yīng)用發(fā)展勢(shì)頭迅猛,在我國的應(yīng)用已從少數(shù)科研單位和軍用部門迅速擴(kuò)展到各個(gè)民用領(lǐng)域,GPS的廣泛應(yīng)用改變了人們的工作方式,提高了工作效率,帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。可以說,GPS在我國的應(yīng)用前景是無限的。

[1]TB 10101-2009,鐵路工程測(cè)量規(guī)范[S].

[2]鐵建設(shè)[2006]189號(hào).客運(yùn)專線無碴軌道鐵路工程測(cè)量暫行規(guī)定[S].

[3]GB/T 18314-2006,全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S].

[4]GB/T 10054-97,全球定位系統(tǒng)(GPS)鐵路測(cè)量規(guī)程[S].

[5]孫計(jì)軍,孫計(jì)祥.平面控制測(cè)量數(shù)據(jù)相差診斷模塊的開發(fā)[J].山西建筑,2008,34(6)：359-360.