于 洋

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

GPS在鐵路控制測(cè)量中的應(yīng)用

于 洋

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

通過(guò)GPS在京包鐵路線控制測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用、GPS作業(yè)過(guò)程，展示了GPS的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用的研究總結(jié)了GPS測(cè)量與傳統(tǒng)測(cè)量方法有著定位精度高、速度快、操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

GPS；鐵路；控制測(cè)量

1 概況

受北京鐵路局委托，北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司對(duì)京包鐵路北京鐵路局管轄范圍內(nèi)北京北站至郭磊莊段（K12公里—K225公里）進(jìn)行地籍測(cè)量，此區(qū)段全長(zhǎng)約213 km。

京包鐵路是由中國(guó)自行勘探、設(shè)計(jì)、施工的第一條鐵路，是西北地區(qū)的重要鐵路干線，也是晉煤外運(yùn)的另一重要通道，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起到了非同尋常的作用，其中北京鐵路局管轄北京北站至郭磊莊段，涉及北京、河北兩省市的10個(gè)區(qū)縣，線路沿線交通較便利，但鐵路線上往返列車頻繁，會(huì)給測(cè)量作業(yè)帶來(lái)一定困難。

2 控制測(cè)量

2.1 控制測(cè)量方法選擇

由于鐵路線路測(cè)量的特殊性，它是典型的帶狀地形測(cè)量，控制測(cè)量如果采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線方法進(jìn)行會(huì)非常困難，耗時(shí)、費(fèi)力，作業(yè)時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，通過(guò)實(shí)地踏勘決定首級(jí)控制采用靜態(tài)E級(jí)GPS控制測(cè)量。

2.2 作業(yè)技術(shù)依據(jù)

《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》（CJJ73—97）主要參數(shù)設(shè)置及要求如下：

1）衛(wèi)星截止高度角≥15°；

2）同步觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥4；

3）衛(wèi)星幾何圖形強(qiáng)度精度因子PDOP≤6；4）采樣間隔為10 s；

5）基線觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)≥40 min；

6）光學(xué)對(duì)中器對(duì)點(diǎn)誤差應(yīng)小于3 mm。

2.3 資料引用

本工程起算點(diǎn)使用由北京市測(cè)繪院提供的C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)N031、N039、N126、N129、N192、N195、N201，共計(jì)7個(gè)，其坐標(biāo)系統(tǒng)為北京市地方坐標(biāo)系，坐標(biāo)為3°投影帶，中央子午線經(jīng)度為116°21′；河北省測(cè)繪局提供的B級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)1086、1087、1096、A002，計(jì)4個(gè)，C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)C050、C052、C211，計(jì)3個(gè)，其坐標(biāo)系統(tǒng)為1954年北京坐標(biāo)系，坐標(biāo)為6°投影帶，中央子午線經(jīng)度為117°。使用前對(duì)全部點(diǎn)位及坐標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

根據(jù)北京鐵路局的要求及工程需要，北京市境內(nèi)采用北京市地方坐標(biāo)系；河北省境內(nèi)采用1954年北京坐標(biāo)系。測(cè)繪成果要求3°投影帶下的成果，因此，把河北省測(cè)繪局提供的6°投影帶起算數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)投影換帶計(jì)算后得到3°投影帶坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其中央子午線經(jīng)度為114°。

2.4 控制點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于鐵路測(cè)量的特點(diǎn)，它是一個(gè)狹長(zhǎng)的帶狀圖形，且北京鐵路局對(duì)本工程精度要求較高，因此本工程直接采用以14個(gè)B、C級(jí)點(diǎn)坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)沿著京包鐵路線布設(shè)了一個(gè)E級(jí)GPS控制網(wǎng)，共布設(shè)GPS點(diǎn)45個(gè)，平均邊長(zhǎng)約5 km，采用分段聯(lián)測(cè)起算點(diǎn)并進(jìn)行分段平差處理的方法。整體上分為兩部分，北京市境內(nèi)采用北京市地方坐標(biāo)系，河北省境內(nèi)采用1954年北京坐標(biāo)系。首先以北京市C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)N031、N039、N126、N129、N192、N195、N201為起算點(diǎn)，布設(shè)1個(gè)E級(jí)GPS網(wǎng)，設(shè)18個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)；其次以河北省測(cè)繪局提供的B、C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)1086、1087、1096、A002、C050、C052、C211為起算點(diǎn)，布設(shè)1個(gè)E級(jí)GPS網(wǎng)，設(shè)28個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)。

控制點(diǎn)點(diǎn)位均設(shè)計(jì)在便于安裝儀器、地面基礎(chǔ)穩(wěn)定、天空無(wú)遮擋物、視野開(kāi)闊、視場(chǎng)內(nèi)障礙物高度角不超過(guò)15°的地方；遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等）及大面積水域，其距離不小于200 m；遠(yuǎn)離高大建筑物，交通方便、易于保存和利于擴(kuò)展的鐵路線路旁邊。

E級(jí)GPS控制點(diǎn)編號(hào)采用字母“JB”打頭，從01開(kāi)始順序編號(hào)“JB01、JB02、JB03……JB43、JB44、JB45”。

控制網(wǎng)所有埋石點(diǎn)均參照《城市測(cè)量規(guī)范》附錄C.3.1小三角點(diǎn)標(biāo)石規(guī)格，埋設(shè)時(shí)底部用混凝土澆鑄，頂面測(cè)量標(biāo)志與地面持平或高于地面2～4 cm，并用紅色油漆標(biāo)注點(diǎn)名。對(duì)于點(diǎn)位設(shè)計(jì)在有條件的道路路面上時(shí)，采用特制鋼釘代替。各控制點(diǎn)均繪制點(diǎn)之記。

2.5 野外觀測(cè)

控制網(wǎng)的觀測(cè)采用3臺(tái)“S82”型雙頻GPS接收機(jī)和9臺(tái)“NGS9600”型單頻GPS接收機(jī)以靜態(tài)定位的模式進(jìn)行，測(cè)前對(duì)儀器進(jìn)行了檢驗(yàn)均符合精度要求。作業(yè)時(shí)用12臺(tái)GPS接收機(jī)以邊點(diǎn)連接方式進(jìn)行測(cè)量，組成同步、異步環(huán)。

觀測(cè)過(guò)程中，要求觀測(cè)員在作業(yè)期間不得擅自離開(kāi)測(cè)站，并應(yīng)防止儀器受震動(dòng)和被移動(dòng)，防止人為和其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號(hào)。

接收機(jī)在觀測(cè)過(guò)程中不應(yīng)在其近旁使用對(duì)講機(jī)；雷雨過(guò)境時(shí)應(yīng)關(guān)機(jī)停測(cè)，并取下天線，以防雷電。

觀測(cè)應(yīng)按照“GPS規(guī)程”有關(guān)規(guī)定執(zhí)行， 外業(yè)觀測(cè)應(yīng)填寫(xiě)觀測(cè)手簿。外業(yè)觀測(cè)記錄應(yīng)記錄如下內(nèi)容：測(cè)站名、測(cè)站號(hào)；觀測(cè)時(shí)間及時(shí)段號(hào)，觀測(cè)時(shí)間應(yīng)記錄開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，時(shí)間記錄到分；接收機(jī)的類型和天線號(hào)；天線高記錄到0.001 m；觀測(cè)狀況記錄應(yīng)包括電池電量情況、接收衛(wèi)星數(shù)量、信噪比及故障等情況；記錄天氣情況；觀測(cè)者姓名；觀測(cè)記錄應(yīng)字跡工整，不得涂改。

2.6 控制網(wǎng)的解算

GPS網(wǎng)平差計(jì)算采用GPS接收機(jī)配套軟件進(jìn)行?？刂凭W(wǎng)分5段進(jìn)行解算（布網(wǎng)情況詳見(jiàn)GPS控制網(wǎng)示意圖，如圖1、2、3、4、5所示）。

圖1 GPS控制網(wǎng)（北京段）示意圖

基線向量解算后，各控制網(wǎng)的解算情況如下：

1）控制網(wǎng)北京段中，由C級(jí)GPS網(wǎng)點(diǎn)N031、N039、N126、N129、N192、N195、N201，7個(gè)及JB01至JB18，其中JB14與N195點(diǎn)重合，17個(gè)待測(cè)點(diǎn)，共計(jì)24個(gè)點(diǎn)組成北京段控制網(wǎng)，共有閉合環(huán)75個(gè)，其中同步環(huán)69個(gè)，異步環(huán)6個(gè)。并分別計(jì)算各環(huán)的閉合差，按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算，閉合環(huán)最大相對(duì)誤差5.8ppm，此環(huán)為28號(hào)異步環(huán)，最大邊長(zhǎng)相對(duì)誤差1/65188，此邊為JB13-JB14。

2）控制網(wǎng)（河北段）A中，由JB32至JB45，14個(gè)待測(cè)點(diǎn)及已知點(diǎn)1086；1087；C211；C050；A002，合計(jì)19點(diǎn)組成（河北段）A網(wǎng)，共有閉合環(huán)50個(gè)，其中同步環(huán)42個(gè)，異步環(huán)8個(gè)。并分別計(jì)算了各環(huán)的閉合差，按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算，閉合環(huán)最大相對(duì)誤差47.5ppm，此環(huán)為20號(hào)異步環(huán)，最大邊長(zhǎng)相對(duì)誤差1/67426，此邊為JB44-JB45。

3）控制網(wǎng)（河北段）B中，由JB28至JB35和JB39，9個(gè)待測(cè)點(diǎn)及已知點(diǎn)1086； C211；C050；A002，合計(jì)13點(diǎn)組成（河北段）B網(wǎng)，共有同步環(huán)18個(gè)。并分別計(jì)算了各環(huán)的閉合差，按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算，閉合環(huán)最大相對(duì)誤差0.8ppm，此環(huán)為2號(hào)同步環(huán)，最大邊長(zhǎng)相對(duì)誤差1/120285，此邊為JB35-JB33。

圖3 GPS控制網(wǎng)（河北段）B示意圖

4）控制網(wǎng)（河北段）C中，由JB21至JB28，8個(gè)待測(cè)點(diǎn)及已知點(diǎn)C050；A002，C052；1096合計(jì)12點(diǎn)組成（河北段）C網(wǎng)，共有閉合環(huán)11個(gè)，其中同步環(huán)10個(gè)，異步環(huán)1個(gè)。并分別計(jì)算了各環(huán)的閉合差，按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算，閉合環(huán)最大相對(duì)誤差31.8ppm，此環(huán)為4號(hào)異步環(huán)，最大邊長(zhǎng)相對(duì)誤差1/199752，此邊為JB26-JB28。

圖4 GPS控制網(wǎng)（河北段）C示意圖

5）控制網(wǎng)（河北段）D中，由JB18至JB24，6個(gè)待測(cè)點(diǎn)及已知點(diǎn)1096；C052；合計(jì)9點(diǎn)組成（河北段）D網(wǎng)，共有閉合環(huán)18個(gè)，其中同步環(huán)17個(gè)，異步環(huán)1個(gè)。并分別計(jì)算了各環(huán)的閉合差，按實(shí)際平均邊長(zhǎng)計(jì)算，閉合環(huán)最大相對(duì)誤差31.8ppm，此環(huán)為6號(hào)異步環(huán)，最大邊長(zhǎng)相對(duì)誤差1/100186，此邊為JB22-JB20。

圖5 GPS控制網(wǎng)（河北段）D示意圖

上述各控制網(wǎng)的各項(xiàng)精度指標(biāo)已符合“設(shè)計(jì)書(shū)”及規(guī)范中相應(yīng)等級(jí)的限差要求，可以提交使用。另外，各條基線的詳解可查閱各段控制網(wǎng)的平差報(bào)告。

3 總結(jié)

通過(guò)此工程GPS在控制測(cè)量中的應(yīng)用，對(duì)比以往類似工程的控制測(cè)量明顯的縮短了工期，點(diǎn)位精度也比傳統(tǒng)導(dǎo)線做法提高很多。傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量要求測(cè)站之間必須通視，規(guī)范對(duì)附合導(dǎo)線長(zhǎng)、閉合導(dǎo)線長(zhǎng)及結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線間長(zhǎng)度等有嚴(yán)格規(guī)定，在狹長(zhǎng)的鐵路測(cè)量中往往達(dá)不到規(guī)范要求，這將造成測(cè)量精度的降低，產(chǎn)品質(zhì)量的下降。

實(shí)踐證明GPS測(cè)量具有：測(cè)量精度高，作業(yè)方便，作業(yè)不受通視條件限制；而且測(cè)量速度快，效率高，節(jié)約人力物力等優(yōu)點(diǎn)。

總之，GPS具有全方位、全天候、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息，GPS系統(tǒng)的產(chǎn)生和GPS技術(shù)的形成使測(cè)量達(dá)到很高的精度。它也為鐵路工程測(cè)量開(kāi)辟了一條嶄新而有效的技術(shù)途徑。

The paper sets out the advantages of using GPS in the route survey through the actual application and operational process of GPS in Beijing-Baotou railway line. The actual application proves that the GPS survey has advantages of high positioning accuracy， fast speed， easy operation and low costs compared with traditional survey methods.

GPS； railway； control survey

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.026

（2016-06-13）