王曉磊

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830011）

GPS在鐵路工程測(cè)量中的應(yīng)用

王曉磊

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830011）

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System-GPS）是美國(guó)研制并在1994年投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用，是鐵路測(cè)量的一項(xiàng)革命性的技術(shù)革新。本文概述了GPS系統(tǒng)在鐵路工程測(cè)量中的應(yīng)用，并對(duì)其作業(yè)流程和性能、效率進(jìn)行了分析。

GPS定位系統(tǒng)；鐵路工程；測(cè)量；應(yīng)用

前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，高速鐵路的建設(shè)更加發(fā)展迅猛，這就對(duì)鐵路工程測(cè)量提出了更高的要求。目前鐵路測(cè)量中雖已采用電子全站儀等先進(jìn)儀器設(shè)備，但其方法受橫向通視和作業(yè)條件的限制，作業(yè)強(qiáng)度大，且效率低。以某鐵路HYZQ-6標(biāo)（86km）路段為例，其周?chē)貏?shì)起伏較大，穿越大范圍的密林、河流且需跨越多處鐵路線(xiàn)、公路線(xiàn)，使通視較為困難，其測(cè)量任務(wù)艱巨且工程量浩大。如果采用常規(guī)方法，耗時(shí)費(fèi)力而且需要大量的財(cái)力，難以滿(mǎn)足鐵路施工建設(shè)的需要。近年來(lái)，GPS技術(shù)發(fā)展迅速，其作業(yè)方法靈活，工作效率高，誤差累積少，定位精度較高，在工程測(cè)量等領(lǐng)域迅速得到推廣應(yīng)用。當(dāng)前，GPS技術(shù)在鐵路控制測(cè)量、中線(xiàn)測(cè)設(shè)、開(kāi)口線(xiàn)放樣、征地線(xiàn)放樣以及斷面復(fù)測(cè)等方面，更能顯示它的優(yōu)越性。以下就GPS在鐵路HYZQ-6標(biāo)（86km）的測(cè)量中的一些應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

1 測(cè)量原理

GPS（Global Positioning System）即全球定位系統(tǒng)，是由美國(guó)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(hù)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(hù)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(hù)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(xiàn)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 GPS測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

GPS技術(shù)在鐵路測(cè)量中的應(yīng)用，是鐵路測(cè)量的一項(xiàng)革命性的技術(shù)革新，它將對(duì)傳統(tǒng)的作業(yè)理念予以更新。相對(duì)于常規(guī)的測(cè)量方法來(lái)講，GPS測(cè)量有以下優(yōu)點(diǎn)：

2.1 測(cè)站之間無(wú)需通視。測(cè)站間相互通視一直是測(cè)量學(xué)的難題。GPS這一特點(diǎn)，使得選點(diǎn)更加靈活方便。但測(cè)站上空必須開(kāi)闊，以使接收GPS衛(wèi)星信號(hào)不受干擾。GPS靜態(tài)定位技術(shù)和動(dòng)態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的方法可以高效、高精度地完成鐵路平面控制測(cè)量。

2.2 定位精度高。一般雙頻GPS接收機(jī)基線(xiàn)解精度為5mm 1ppm，而紅外儀標(biāo)稱(chēng)精度為5mm 5ppm，GPS測(cè)量精度與紅外儀相當(dāng)，但隨著距離的增長(zhǎng)，GPS測(cè)量?jī)?yōu)越性愈加突出。大量實(shí)驗(yàn)證明，在小于50公里的基線(xiàn)上，其相對(duì)定位精度可達(dá)12×10-6，而在100～500公里的基線(xiàn)上可達(dá)10-6～10-7。

2.3 觀測(cè)時(shí)間短。采用GPS布設(shè)控制網(wǎng)時(shí)每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30～40min左右，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短。例如使用Timble4800GPS接收機(jī)的RTK法可在5s以?xún)?nèi)求得測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

2.4 提供三維坐標(biāo)。GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。

2.5 操作簡(jiǎn)便。GPS測(cè)量的自動(dòng)化程度很高。目前GPS接收機(jī)已趨小型化和操作傻瓜化，觀測(cè)人員只需將天線(xiàn)對(duì)中、整平，量取天線(xiàn)高打開(kāi)電源即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，利用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即求得測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。而其它觀測(cè)工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測(cè)等均由儀器自動(dòng)完成。

2.6 全天候作業(yè)。GPS觀測(cè)可在任何地點(diǎn)，任何時(shí)間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。

3 GPS系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量工作中的應(yīng)用

3.1 使用動(dòng)態(tài)定位模式測(cè)量。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)是以載波相位觀測(cè)值為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS（RTDGPS）技術(shù)，它是GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新突破，在鐵路工程中有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）系統(tǒng)由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成，建立無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的保證。其原理是取點(diǎn)位精度較高的首級(jí)控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，安置一臺(tái)接收機(jī)作為參考站，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，流動(dòng)站上的接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨機(jī)計(jì)算根據(jù)相對(duì)定位的原理實(shí)時(shí)計(jì)算顯示出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)和測(cè)量精度。這樣用戶(hù)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和基線(xiàn)解算結(jié)果的收斂情況，根據(jù)待測(cè)點(diǎn)的精度指標(biāo)，確定觀測(cè)時(shí)間，從而減少冗余觀測(cè)，提高工作效率。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位有快速靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位兩種測(cè)量模式，動(dòng)態(tài)定位測(cè)量前需要在一控制點(diǎn)上靜止觀測(cè)數(shù)分鐘（有的儀器只需2～10s）進(jìn)行初始化工作，之后流動(dòng)站就可以按預(yù)定的采樣間隔自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)確定采樣點(diǎn)的空間位置。目前，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

其野外作業(yè)流程：

（1）設(shè)置參考站：在已知控制點(diǎn)上架設(shè)好GPS接收機(jī)和天線(xiàn)，打開(kāi)接收機(jī)，將PC卡上室內(nèi)設(shè)置的參數(shù)（坐標(biāo)系統(tǒng)）讀入GPS接收機(jī)，建立（或選擇）配置集，輸入?yún)⒖颊军c(diǎn)的準(zhǔn)確的北京54坐標(biāo)和天線(xiàn)高，參考站GPS接收機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換參數(shù)將北京54坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)，同時(shí)連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)射電臺(tái)將其測(cè)站坐標(biāo)、觀測(cè)值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機(jī)工作狀態(tài)發(fā)送出去，待電臺(tái)指示燈顯示發(fā)出通訊信號(hào)后流動(dòng)站即可開(kāi)展工作。

（2）流動(dòng)站工作：打開(kāi)接收機(jī)，新建（或打開(kāi)）工作項(xiàng)目，建立（或選擇）配置集（要求與參考站相匹配）。流動(dòng)站接收機(jī)在跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)也接收來(lái)自參考站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理獲得流動(dòng)站的三維WGS-84坐標(biāo)，最后再通過(guò)與參考站相同的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)顯示在流動(dòng)站的TR500終端上。接收機(jī)可將實(shí)時(shí)位置與設(shè)計(jì)值相比較，指導(dǎo)放樣到正確位置（測(cè)前在室內(nèi)采用配套軟件將電子表格中的設(shè)計(jì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式編輯處理形成GPS接收機(jī)可讀的文件后發(fā)送到機(jī)內(nèi)的PC卡）。動(dòng)態(tài)定位模式在鐵路測(cè)量中有著廣闊的應(yīng)用前景，可以完成地形圖測(cè)繪、中樁測(cè)量、橫斷面測(cè)量、縱斷面地面線(xiàn)測(cè)量、征地線(xiàn)開(kāi)口線(xiàn)放樣等工作。測(cè)量2～4S，精度就可以達(dá)到1～3cm，且整個(gè)測(cè)量過(guò)程不需通視，有著常規(guī)測(cè)量?jī)x器（如全站儀）不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。在鐵路HYZQ-6標(biāo)段，基本采用RTK動(dòng)態(tài)定位模式復(fù)測(cè)了全標(biāo)段的中線(xiàn)和斷面，以及部分地形圖的測(cè)繪和征地線(xiàn)開(kāi)口線(xiàn)的放樣工作，具有節(jié)省人力、作業(yè)效率高的特點(diǎn)，其每個(gè)采集點(diǎn)只需要停留2～4s，流動(dòng)站小組作業(yè)，每小組（3～4人）每天可完成中線(xiàn)測(cè)量5km左右。若用其進(jìn)行地形測(cè)量，每小組每天可以完成0.8～1.5km3的地形圖測(cè)繪，其精度和效率是常規(guī)測(cè)量所無(wú)法比擬的。

[1]路伯祥.GPS在鐵路測(cè)量中應(yīng)用的討論.鐵道工程學(xué)報(bào)，1995-09-30期刊.

[2]丁海鵬，楊云鴻，李如仁.GPS測(cè)量在鐵路施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用.中國(guó)煤炭地質(zhì)，2010-02-25期刊.

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