蔡德鉤，王曉凱，樓梁偉

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路和北斗都是關系國計民生的國家戰(zhàn)略行業(yè)。

我國高速鐵路正處在一個黃金發(fā)展期，鐵路網(wǎng)絡規(guī)劃的“八縱八橫”計劃是：到2020年鐵路網(wǎng)規(guī)模達到15 萬km，其中高速鐵路3 萬km，覆蓋全國80%以上的大城市?！叭吮闫湫?，貨暢其流”的建設目標已初步實現(xiàn)。鐵路在疏通我國人口資源分布不均，打破地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡的同時，正逐步推動和促進著相關產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。但在位置服務方面，現(xiàn)階段鐵路建設及運營過程中，凡涉及位置、監(jiān)測、導航等技術領域，一般均采用GPS（美國的全球定位系統(tǒng)），受制于人，安全性和可靠性難以保證。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，迄今累計發(fā)射43顆衛(wèi)星，已進入全球組網(wǎng)的密集發(fā)射階段。隨著系統(tǒng)日益完善，其定位精度和應用范圍已經(jīng)達到產(chǎn)業(yè)化要求。在國家軍民融合大戰(zhàn)略的支持下，北斗系統(tǒng)正逐步廣泛地在交通、測繪等關系國計民生的重要行業(yè)中應用。

未來幾年在國內導航定位位置服務等領域，以北斗系統(tǒng)為主，GPS，GLONASS（俄羅斯的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）等系統(tǒng)為輔，最終形成“GNSS（北斗）+行業(yè)”的兼容發(fā)展模式將是大勢所趨。隨著我國鐵路網(wǎng)發(fā)展和北斗構網(wǎng)的步伐加快，研究適合我國鐵路行業(yè)位置基準和多用戶、多元化信息服務的“GNSS（北斗）+鐵路”技術勢在必行。

1 國內外研究現(xiàn)狀

地基增強系統(tǒng)是結合衛(wèi)星定位、計算機網(wǎng)絡、數(shù)字通信等多種高新技術多方位深度結合構建的定位系統(tǒng)，是獲得高精度衛(wèi)星定位信息的基礎。通過差分技術地基增強站可快速輔助修正衛(wèi)星信號誤差，提供更精確的位置服務。

世界各國競相發(fā)展地基增強系統(tǒng)，以滿足各行各業(yè)對高精度位置的需求［1］。

在全球約200個GPS連續(xù)運行站的基礎上組成的GPS 服務IGS（國際GPS 服務）是該項技術的典型范例，它無償向全球用戶提供GPS 的各種信息。由美國大地測量局（NGS）牽頭，多部門參建的美國連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）約建站點1 900 多個，可以實現(xiàn)局部地區(qū)實時厘米級、后處理毫米級的定位服務。該系統(tǒng)的應用既傳統(tǒng)又開放：一方面通過明確的政策法規(guī)，推薦使用GPS 及GLONASS 導航系統(tǒng)信號；另一方面，積極鼓勵各州政府與民眾合作共建、共享數(shù)據(jù)。美國NDGPS 系統(tǒng)（美國聯(lián)邦鐵路管理局、海岸警衛(wèi)隊和聯(lián)邦公路管理局連續(xù)運行參考站系統(tǒng)）和CORS 系統(tǒng)的運行發(fā)展較為成熟，但高精度定位應用仍局限于傳統(tǒng)領域，尚未彰顯其智能化應用［2］。

德國將國內各部門的差分GPS 進行了整合協(xié)調，建立了一個長期運行、覆蓋全國的多功能差分GPS 定位導航服務SAPOS 系統(tǒng)（德國連續(xù)運行參考站系統(tǒng)），并基于該系統(tǒng)實現(xiàn)了德國高速公路不停車收費。該系統(tǒng)建立基站200 個左右，平均間距40 km，構成了德國國家大地測量框架，代表了當今國家級大地測量系統(tǒng)的新概念，但受政治體系差異影響尚未形成覆蓋歐洲的增強網(wǎng)，也尚未轉化至更多高精度的民用領域中應用。

基于自然災害頻發(fā)及災害的監(jiān)測需求，日本建設了全球基準站密度最高的地基增強網(wǎng)絡COSMOS（日本連續(xù)運行參考站系統(tǒng)）。該系統(tǒng)跟蹤站平均30 km一個，最密地區(qū)約10 km 一個，系統(tǒng)具備實時動態(tài)響應能力，可通過發(fā)達的通信網(wǎng)絡，做到秒級實時響應。應用領域以高精度的地殼運動監(jiān)測和傳統(tǒng)行業(yè)為主［3-4］。

早期中國的地基增強系統(tǒng)主要是各省測繪行業(yè)建立的區(qū)域CORS，各系統(tǒng)獨立運營，技術及服務也相對獨立。2016年投入運營的國家北斗地基增強系統(tǒng)布設“全國一張網(wǎng)”，實現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)劃、組網(wǎng)及跨區(qū)域服務，同時支持大規(guī)模、高并發(fā)的基準站及用戶接入，突破了行業(yè)瓶頸，為各類市場及應用提供更低成本的服務。北斗地基增強系統(tǒng)以基準站為主干，建成具備410 座規(guī)模的國家級衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)。同時統(tǒng)籌各省級測繪地理信息部門和地震、氣象等部門建設的2 300 余座基準站資源，構建了2 700 座站點規(guī)模的衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)。

2 可行性研究

鐵路從勘察設計、施工建設到運營服務過程中始終離不開高精度的位置服務需求。不單獨依賴GPS實現(xiàn)位置服務，是鐵路系統(tǒng)實現(xiàn)安全自主運營維護的關鍵。隨著北斗導航技術不斷成熟，全面采用這項技術再次對傳統(tǒng)鐵路位置服務產(chǎn)業(yè)進行審視勢在必行。

北斗的發(fā)展首要是解決用戶基礎的問題，因此發(fā)展北斗民用，應當從“北斗+”先行出發(fā)?！氨倍?”的本質是北斗與其他傳統(tǒng)行業(yè)的結合，要利用衛(wèi)星導航技術、大數(shù)據(jù)融合處理技術、信息通信技術以及互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺，讓北斗數(shù)據(jù)應用與傳統(tǒng)行業(yè)進行深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)。在我國當下“一帶一路”的戰(zhàn)略規(guī)劃及“交通強國、鐵路先行”的理念下，緊密結合工程建設與運營服務，完善已建成的北斗地基增強系統(tǒng)已成為鐵路、北斗行業(yè)協(xié)同發(fā)展的巨大契機。

2.1 技術可行性

傳統(tǒng)高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)是在國家控制網(wǎng)或自建框架控制網(wǎng)（CP0）基礎上三級布設：基礎平面控制網(wǎng)（CPⅠ）每4 km 布設1個，一般在勘察設計的初測階段建立，主要為勘測、施工、運營維護提供坐標基準；線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ）每600～800 m 布設1個，宜在勘察設計的定測階段建立，主要為勘測和施工提供控制基準；在高速鐵路線下施工完成后，通過線上加密測量的方式，建立全線加密線路平面控制網(wǎng)（加密CPⅡ），為施工和運營維護提供控制基準；軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）每50～70 m 沿線路兩側成對布設，一般在無砟軌道基礎結構施工或有砟軌道大機施工階段建立，主要為施工和運營維護提供控制基準。高速鐵路工程測量高程控制網(wǎng)是在國家高程基準的基礎或獨立高程基準上分二級布設：線路水準基點控制網(wǎng)每2 km布設1個，一般在勘察設計的初測階段建立，主要為勘測、施工、運營維護提供坐標基準；軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）與平面控制共點建立。

高速鐵路工程測量基準在勘察設計、施工、運營維護這3個階段的控制網(wǎng)要求必須采用統(tǒng)一的基準，才能達到高速鐵路建設高標準的要求，即“三網(wǎng)合一”［5-7］。這是構建高速鐵路測量體系的基本原則。高速鐵路高速度、高舒適、高安全的建設目標必然要求高平順、高精度的軌道和線下結構施工，以確保高速鐵路嚴格依據(jù)設計幾何線形參數(shù)運營。因此，施工階段的測量工作不同于常規(guī)工程測量，精度要求會達到毫米級，軌道及軌道板精調施工甚至要求達到亞毫米級的相對精度控制要求。

若沒有高精度、長效統(tǒng)一的測量控制基準，會在建設和運營期間產(chǎn)生許多控制不足及基準誤導的問題［8-9］。比如：受基準分段不一致影響，實際施工后大半徑長曲線實際上變成了許多不同圓曲線的組合；縱斷面長坡變成了分段碎坡組合；測量基準受區(qū)域沉降影響后誤導施工，同時無法獲得準確合理的沉降監(jiān)測結果；高等級控制網(wǎng)在控制樁丟失補樁后給下級控制網(wǎng)帶來局部的扭曲；控制網(wǎng)復測后成區(qū)段控制基準更新對施工產(chǎn)生影響等等［10］。這些都是高速鐵路測量位置基準服務中應重點關注的內容和亟待解決的難題。

國家北斗三號基本系統(tǒng)的建成及在民用領域的廣泛推廣使得北斗導航技術在鐵路行業(yè)的應用更加可行，國家自然資源部的整合更加有利于各行業(yè)、各部門規(guī)范、便捷地使用位置基準服務。2000年國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心提出的鐵路智能運輸系統(tǒng)（RITS）發(fā)展理念更是和北斗導航技術的發(fā)展相得益彰。因此，以GNSS（北斗）地基增強技術為鐵路行業(yè)基礎，高效綜合利用鐵路所有移動裝備、固定設施、空間、時間、人力、物力等資源實現(xiàn)鐵路勘察設計、建設、運營全過程、全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、更加經(jīng)濟高效、更加溫馨舒適、更加方便快捷、更加節(jié)能環(huán)保的新一代鐵路運輸系統(tǒng)勢在必行。

鐵路平面控制基準的主要目的是為了滿足軌道的軌向平順性控制要求，因此利用軌向的施工驗收標準可反算控制基準精度需求。假定起算點為P1，取30 m（或48a，a=0.625 m）弦線，按間距5 m（或8a）均分，得到6 個子區(qū)段。每個子區(qū)段包含m個檢測點（不含尾點，m為2 的指數(shù)冪，是指實際測量結果對應里程點數(shù)，一般m≥8），假定m＝8（圖1），則有P1，P2，…，P49共計 49 個里程點。具體評價方法如下：P1，P9，P17，P25，P33，P41構成第1 組評價點（點間隔5 m，下同），P2，P10，P18，P26，P34，P42構成第 2 組評價點；以此類推，直到P8，P16，P24，P32，P40，P48構成第m（m=8）組評價點，完成本30 m（或48a）弦段評價。按照0.625 m（或a）的重疊區(qū)段長度，下一評價段自P48起至P96，重復按相同的方法確定評價組。

圖1 30 m（或48a）弦長軌道平順性檢測點分布示意

具體評價方法示例如下：

P25與P33間的軌向Δh檢測計算式為

根據(jù)協(xié)方差m的傳播定律，可得

根據(jù)式（1）分析：采用30 m（48a）弦長，檢測間隔5 m（或8a）的兩相鄰檢測點的實際矢距差與設計矢距差的差值要求小于2 mm；采用300 m（480a）弦長，檢測間隔50 m 的兩相鄰檢測點的實際矢距差與設計矢距差的差值要求小于10 mm。這樣的分級是符合當前工業(yè)檢測及測繪技術水準的。2 mm 以下高精度檢測（如軌距變化率、水平超高變化率等）采用常規(guī)測繪技術無法實現(xiàn)，只能依賴于高精度的位移、傾斜傳感器（軌道檢測小車內置安裝）；軌道短波控制2 mm/8a的軌道精調要求一般依賴于高精度全站儀自由測站邊角交會測量，目前受限于衛(wèi)星定位技術的精度及成本，在時速160 km 及以上鐵路沒有顯著的經(jīng)濟效益基礎支持，尤其是無砟軌道受限于精密道床施工及扣件調整余量必須采用CPⅢ測量配合工業(yè)精調設備實現(xiàn)；而長波控制依賴的線路基礎平面控制網(wǎng)CPⅠ和線路控制網(wǎng)CPⅡ采用GNSS 實現(xiàn)控制的技術路線早已成熟，因此可以采用基于GNSS（北斗）地基增強的新技術予以實現(xiàn)。

基于上述分析，可設定如下的技術實現(xiàn)路線。

1）高精度鐵路北斗動態(tài)框架控制網(wǎng)

鐵路北斗框架控制網(wǎng)宜在鐵路初測階段布設，應當盡量利用已經(jīng)建設完成的國家或地區(qū)級地基增強站進行控制設計，位置或間距不滿足要求時應參考規(guī)范CP0 要求每50 km 設置1 座?？蚣芸刂凭W(wǎng)建設完成后，通過將基準站網(wǎng)定期自動地與國家永久跟蹤站及國際IGS跟蹤站進行定期、自動聯(lián)合解算，確定基準站在全球框架中的位置變化。通過站間相對位置變化的周解、月解、季解檢測分析各基準站穩(wěn)定性并確定數(shù)據(jù)更新機制，從而建立鐵路沿線的永久性動態(tài)地心坐標框架。高精度鐵路北斗動態(tài)框架控制網(wǎng)可達到水平分量2 mm/a；垂直分量2 mm/a，站間相對精度1.0×10-8的框架控制精度。在一定區(qū)域范圍內實現(xiàn)基于GNSS（北斗）地基增強技術的鐵路工程基準應用必然面向大規(guī)模的GNSS 基準站網(wǎng)，目前國內鐵路系統(tǒng)尚無成熟系統(tǒng)可供借鑒［11］。鐵路線狀工程的特色有利于疏通連續(xù)運行站區(qū)域服務功能，打通目前地、市塊狀區(qū)域服務的壁壘，但規(guī)?；馕吨W(wǎng)內基站數(shù)目的激增、覆蓋地域跨度成倍擴大和更多用戶需求的特色化、多樣化。因此推進北斗導航技術在鐵路行業(yè)全方位應用，必須進一步研究鐵路系統(tǒng)內大規(guī)模站的集成優(yōu)化及其與地區(qū)級、國家級連續(xù)運行站的數(shù)據(jù)處理、共享和服務模式［12］。

2）鐵路北斗地基增強控制網(wǎng)

在鐵路北斗動態(tài)框架控制網(wǎng)的基礎上沿線建立鐵路北斗地基增強控制網(wǎng)，需實現(xiàn)控制網(wǎng)的唯一性、合理性、時效性和同傳統(tǒng)控制網(wǎng)的精度評定銜接。衛(wèi)星定位技術會產(chǎn)生坐標系統(tǒng)內部的多值和小幅度的不穩(wěn)定。德國聯(lián)邦鐵路在其所有與軌道技術有關的應用中采用統(tǒng)一單值的參考系DB_REF（德鐵參考框架）。它基于德國土地測量管理部門的歐洲大陸參考框 架 ETRF89（European Terrestrial Reference Frame 1989）建立，具有參考意義和實用價值。對于涉及鐵路建設具體范圍內的高精度需求，單值的控制網(wǎng)才是最理想的基準。因此對于每條獨立建設的鐵路工程均需研發(fā)一個同一參考系、同一大地測量基準、指定區(qū)域內固定的坐標轉換模型，使鐵路北斗地基增強控制網(wǎng)成為單值控制系統(tǒng)并可隨時準確地進行相互轉換才會具有實際的應用價值。坐標轉換過程中標準數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和系統(tǒng)內數(shù)據(jù)服務的無縫連接，其實質也是鐵路線路平面坐標的無縫連接，所以應當同時研究基于線路框架控制下的GNSS（北斗）分帶控制網(wǎng)自動維護更新機制。

精度控制要求方面，現(xiàn)行高速鐵路工程測量規(guī)范中對于線上加密衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的要求是相鄰點相對中誤差不超過8 mm，基線邊方向中誤差不超過1.7″，最弱邊不超過1/100 000 的要求。而北斗地基增強控制網(wǎng)連續(xù)運行觀測精度將較大幅度提高，在實現(xiàn)坐標基準維護功能時，受約束控制、投影變形、坐標唯一影響可按照國家B級精度控制網(wǎng)進行精度估算。

取相鄰點基線水平分量中誤差m基線=5 mm，儀器精度m固定=5 mm，m比例=1.0×10-6mm/km，按設置間距S=1 km估算相對精度，

或

式中：m相對為基線邊相對中誤差；mα為基線邊方向中誤差；ρ″=206 265″。

可見，按每公里設置連續(xù)運行觀測站，為無砟軌道控制網(wǎng)提供實時自動化的聯(lián)測需求在精度上是滿足需求的，但每公里的設置間距會導致軌道控制網(wǎng)自由測站聯(lián)測已知點邊長變長，這樣的影響尚需進一步試驗研究［13］。鐵路線路的平順性與控制測量有一定的關系，但對于某段線路現(xiàn)場實際狀態(tài)，平順度僅是一種局部誤差，用大地測量的方法不易達到；同時受局部平順度位置誤差積累和擴大的影響，必然要采用基準逐級控制的方法。因此任何GNSS 大地測量的技術僅可局限于解決軌道外部幾何參數(shù)控制，整條鐵路線路的平順仍需配合高精度軌道檢查儀完成。

3）160 km 以下有砟鐵路及既有線提速改造不受線下結構精度控制的影響，可采用“BGNSS（北斗）地基增強系統(tǒng)+慣導軌道檢測儀+大型養(yǎng)路機械”的方式直接實現(xiàn)軌道的大型養(yǎng)路機械施工及后期運營維護。

現(xiàn)階段軌道施工采用的最優(yōu)設備為軌道檢測小車。其檢測精度要求可分為2 類：①獲取小車棱鏡在鐵路線路的絕對位置坐標；②利用精度更高的傾斜傳感器、位移傳感器獲取檢測部位的軌距和水平值（區(qū)段軌向、高低和扭曲的不平順可以計算獲得）。鑒于傳感器精度可達亞毫米級，因此對于該項技術的實現(xiàn)關鍵在于對慣導小車的航跡解算精度［14］。

設M為軌道安裝后位置誤差要求，m1為地基增強站控制引起誤差，m2為軌道施工安裝誤差，則

顯然m1＜m2，故m1/m2＜1。將式（6）的二項式展開為級數(shù)，并略去高次項，則

為使軌道施工安裝誤差不受地基增強站控制誤差影響，需使地基增強站控制誤差不超過軌道施工誤差的10%，即

可得

代入式（7），可得m1≈0.4M。

由此可見，采用“北斗+慣導小車”的航跡控制精度應當控制在軌道安裝絕對位置要求的0.4 倍，即不超過4 mm。這樣可以滿足時速160 km 以下有砟鐵路的軌道大型養(yǎng)路機械施工要求。

2.2 經(jīng)濟可行性

傳統(tǒng)鐵路控制網(wǎng)點位布設與線路兩側基礎薄弱區(qū)域，易受施工及地表沉降影響，在復測不及時的情況下會導致設計、建造目的與控制基準脫節(jié)。而BGNSS（北斗）地基增強技術連續(xù)運行且自動化維護會避免這方面的問題。嚴密、合理的前期設計能更加精確地實現(xiàn)鐵路勘察設計、施工建設和運營維護“三網(wǎng)合一”的測量要求。但鐵路路基、橋梁未成型前連續(xù)運行站無布設基礎條件，若建立在線下則后期不利于維護也無法與線上軌道控制網(wǎng)順利銜接。因此使用該項技術過程中應當根據(jù)工程區(qū)域國家級站點分布及線路方案穩(wěn)定情況確定是在定測階段實施還是線下工程完成后實施。以時速250 km 以上高速鐵路線路里程100 km 精密控制測量為例，比較傳統(tǒng)技術與新技術經(jīng)濟指標，結果見表1。

由表1初步估算，該項技術實施前期會因大量GNSS（北斗）連續(xù)運行站、數(shù)據(jù)處理軟件、數(shù)據(jù)集發(fā)中心等的投入，使常規(guī)鐵路測量費用較大幅度增加。但該方法屬于“一次投入、終身受益”，在后續(xù)的運營維護階段僅需投入較少設備維護費即可提供更加實時精確的測量控制及形變監(jiān)測服務［15］。隨著國產(chǎn)設備及技術的更新和發(fā)展，成本會進一步降低；隨著項目盈利與成本的抵消，會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟和社會效益。

表1 傳統(tǒng)技術與新技術經(jīng)濟指標比較

3 結論

北斗導航系統(tǒng)起步至今時間尚短，遠不如GPS 的20 多年時間，在市場占有率和多模導航芯片制造上遠不及GPS。但相比較其他兩大衛(wèi)星導航系統(tǒng)來說，北斗系統(tǒng)仍有不小優(yōu)勢，且為我國自主控制，安全性能有保障。在逐步應用中形成北斗與行業(yè)相互適應、相互促進發(fā)展的有利態(tài)勢，有利于北斗技術及裝備制造的發(fā)展，更有利于鐵路行業(yè)測繪基準及自動化作業(yè)程度的提高。通過對該項技術的分析，可以得出如下結論：

1）GNSS（北斗）地基增強技術能夠實現(xiàn)不同量級的高精度定位，滿足鐵路建設需求，可為鐵路建設提供全天候、快速、準確、可靠的高精度定位服務，并為鐵路勘測設計、施工建設和運營維護實現(xiàn)“三網(wǎng)合一”提供最穩(wěn)定的基礎支撐。

2）在設計階段必須依據(jù)線路具體情況確定觀測站建設方式，條件成熟的線路可以選擇定測階段建站，線下施工完成后成段組織遷站的方式；存在困難時可以選擇前期采用傳統(tǒng)模式建網(wǎng)，線下施工完成后分段建站的方式。

3）在提供位置基準服務的基礎上，采用該項技術時應當在設計階段確定后期智能應用的方向、形式、深度及應用接口設計。例如：“北斗+BIM”實現(xiàn)高精度施工工藝設計；“北斗+全站儀自由測站”建立軌道控制網(wǎng)；“北斗基準+水準或傳感器”實現(xiàn)鐵路構筑物自動化監(jiān)測；“北斗+慣導小車”快速實現(xiàn)軌道狀態(tài)檢查；“北斗+三維激光掃描”快速建立鐵路環(huán)境仿真場景；北斗數(shù)字化施工；北斗智能運營維護管理等。

GNSS（北斗）地基增強技術作為一種位置基礎服務技術，在增強站建設完成后，一系列的拓展衍生技術將大有可為。打通應用環(huán)節(jié)才能使新技術更加具有生命力，充分發(fā)揮其自動化、信息化、智能化的應用特點。做好這些技術的研究應用推廣必將使北斗技術成為我國鐵路系統(tǒng)大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的基礎支撐、鐵路管理信息化的重要手段以及實現(xiàn)“智能鐵路”的重要保障。