蔡德鉤，王曉凱，樓梁偉

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

鐵路和北斗都是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的國(guó)家戰(zhàn)略行業(yè)。

我國(guó)高速鐵路正處在一個(gè)黃金發(fā)展期，鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的“八縱八橫”計(jì)劃是：到2020年鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15 萬(wàn)km，其中高速鐵路3 萬(wàn)km，覆蓋全國(guó)80%以上的大城市?！叭吮闫湫?，貨暢其流”的建設(shè)目標(biāo)已初步實(shí)現(xiàn)。鐵路在疏通我國(guó)人口資源分布不均，打破地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡的同時(shí)，正逐步推動(dòng)和促進(jìn)著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展。但在位置服務(wù)方面，現(xiàn)階段鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，凡涉及位置、監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航等技術(shù)領(lǐng)域，一般均采用GPS（美國(guó)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(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，迄今累計(jì)發(fā)射43顆衛(wèi)星，已進(jìn)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(yīng)用范圍已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。在國(guó)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(cè)繪等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要行業(yè)中應(yīng)用。

未來(lái)幾年在國(guó)內(nèi)導(dǎo)航定位位置服務(wù)等領(lǐng)域，以北斗系統(tǒng)為主，GPS，GLONASS（俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)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(shì)所趨。隨著我國(guó)鐵路網(wǎng)發(fā)展和北斗構(gòu)網(wǎng)的步伐加快，研究適合我國(guó)鐵路行業(yè)位置基準(zhǔn)和多用戶(hù)、多元化信息服務(wù)的“GNSS（北斗）+鐵路”技術(shù)勢(shì)在必行。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

地基增強(qiáng)系統(tǒng)是結(jié)合衛(wèi)星定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通信等多種高新技術(shù)多方位深度結(jié)合構(gòu)建的定位系統(tǒng)，是獲得高精度衛(wèi)星定位信息的基礎(chǔ)。通過(guò)差分技術(shù)地基增強(qiáng)站可快速輔助修正衛(wèi)星信號(hào)誤差，提供更精確的位置服務(wù)。

世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展地基增強(qiáng)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足各行各業(yè)對(duì)高精度位置的需求［1］。

在全球約200個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行站的基礎(chǔ)上組成的GPS 服務(wù)IGS（國(guó)際GPS 服務(wù)）是該項(xiàng)技術(shù)的典型范例，它無(wú)償向全球用戶(hù)提供GPS 的各種信息。由美國(guó)大地測(cè)量局（NGS）牽頭，多部門(mén)參建的美國(guó)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）約建站點(diǎn)1 900 多個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)局部地區(qū)實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)的定位服務(wù)。該系統(tǒng)的應(yīng)用既傳統(tǒng)又開(kāi)放：一方面通過(guò)明確的政策法規(guī)，推薦使用GPS 及GLONASS 導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)；另一方面，積極鼓勵(lì)各州政府與民眾合作共建、共享數(shù)據(jù)。美國(guó)NDGPS 系統(tǒng)（美國(guó)聯(lián)邦鐵路管理局、海岸警衛(wèi)隊(duì)和聯(lián)邦公路管理局連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)）和CORS 系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)展較為成熟，但高精度定位應(yīng)用仍局限于傳統(tǒng)領(lǐng)域，尚未彰顯其智能化應(yīng)用［2］。

德國(guó)將國(guó)內(nèi)各部門(mén)的差分GPS 進(jìn)行了整合協(xié)調(diào)，建立了一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行、覆蓋全國(guó)的多功能差分GPS 定位導(dǎo)航服務(wù)SAPOS 系統(tǒng)（德國(guó)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)），并基于該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了德國(guó)高速公路不停車(chē)收費(fèi)。該系統(tǒng)建立基站200 個(gè)左右，平均間距40 km，構(gòu)成了德國(guó)國(guó)家大地測(cè)量框架，代表了當(dāng)今國(guó)家級(jí)大地測(cè)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(qiáng)網(wǎng)，也尚未轉(zhuǎn)化至更多高精度的民用領(lǐng)域中應(yīng)用。

基于自然災(zāi)害頻發(fā)及災(zāi)害的監(jiān)測(cè)需求，日本建設(shè)了全球基準(zhǔn)站密度最高的地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)COSMOS（日本連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)）。該系統(tǒng)跟蹤站平均30 km一個(gè)，最密地區(qū)約10 km 一個(gè)，系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，可通過(guò)發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)，做到秒級(jí)實(shí)時(shí)響應(yīng)。應(yīng)用領(lǐng)域以高精度的地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)行業(yè)為主［3-4］。

早期中國(guó)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)主要是各省測(cè)繪行業(yè)建立的區(qū)域CORS，各系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，技術(shù)及服務(wù)也相對(duì)獨(dú)立。2016年投入運(yùn)營(yíng)的國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)布設(shè)“全國(guó)一張網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)劃、組網(wǎng)及跨區(qū)域服務(wù)，同時(shí)支持大規(guī)模、高并發(fā)的基準(zhǔn)站及用戶(hù)接入，突破了行業(yè)瓶頸，為各類(lèi)市場(chǎng)及應(yīng)用提供更低成本的服務(wù)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)以基準(zhǔn)站為主干，建成具備410 座規(guī)模的國(guó)家級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)。同時(shí)統(tǒng)籌各省級(jí)測(cè)繪地理信息部門(mén)和地震、氣象等部門(mén)建設(shè)的2 300 余座基準(zhǔn)站資源，構(gòu)建了2 700 座站點(diǎn)規(guī)模的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)。

2 可行性研究

鐵路從勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)到運(yùn)營(yíng)服務(wù)過(guò)程中始終離不開(kāi)高精度的位置服務(wù)需求。不單獨(dú)依賴(lài)GPS實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)，是鐵路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全自主運(yùn)營(yíng)維護(hù)的關(guān)鍵。隨著北斗導(dǎo)航技術(shù)不斷成熟，全面采用這項(xiàng)技術(shù)再次對(duì)傳統(tǒng)鐵路位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行審視勢(shì)在必行。

北斗的發(fā)展首要是解決用戶(hù)基礎(chǔ)的問(wèn)題，因此發(fā)展北斗民用，應(yīng)當(dāng)從“北斗+”先行出發(fā)。“北斗+”的本質(zhì)是北斗與其他傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)合，要利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)、大數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)、信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，讓北斗數(shù)據(jù)應(yīng)用與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)。在我國(guó)當(dāng)下“一帶一路”的戰(zhàn)略規(guī)劃及“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的理念下，緊密結(jié)合工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)服務(wù)，完善已建成的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)已成為鐵路、北斗行業(yè)協(xié)同發(fā)展的巨大契機(jī)。

2.1 技術(shù)可行性

傳統(tǒng)高速鐵路工程測(cè)量平面控制網(wǎng)是在國(guó)家控制網(wǎng)或自建框架控制網(wǎng)（CP0）基礎(chǔ)上三級(jí)布設(shè)：基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)（CPⅠ）每4 km 布設(shè)1個(gè)，一般在勘察設(shè)計(jì)的初測(cè)階段建立，主要為勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)；線路平面控制網(wǎng)（CPⅡ）每600～800 m 布設(shè)1個(gè)，宜在勘察設(shè)計(jì)的定測(cè)階段建立，主要為勘測(cè)和施工提供控制基準(zhǔn)；在高速鐵路線下施工完成后，通過(guò)線上加密測(cè)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(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn)；軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）每50～70 m 沿線路兩側(cè)成對(duì)布設(shè)，一般在無(wú)砟軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工或有砟軌道大機(jī)施工階段建立，主要為施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn)。高速鐵路工程測(cè)量高程控制網(wǎng)是在國(guó)家高程基準(zhǔn)的基礎(chǔ)或獨(dú)立高程基準(zhǔn)上分二級(jí)布設(shè)：線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)每2 km布設(shè)1個(gè)，一般在勘察設(shè)計(jì)的初測(cè)階段建立，主要為勘測(cè)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供坐標(biāo)基準(zhǔn)；軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）與平面控制共點(diǎn)建立。

高速鐵路工程測(cè)量基準(zhǔn)在勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)這3個(gè)階段的控制網(wǎng)要求必須采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)，才能達(dá)到高速鐵路建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的要求，即“三網(wǎng)合一”［5-7］。這是構(gòu)建高速鐵路測(cè)量體系的基本原則。高速鐵路高速度、高舒適、高安全的建設(shè)目標(biāo)必然要求高平順、高精度的軌道和線下結(jié)構(gòu)施工，以確保高速鐵路嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)幾何線形參數(shù)運(yùn)營(yíng)。因此，施工階段的測(cè)量工作不同于常規(guī)工程測(cè)量，精度要求會(huì)達(dá)到毫米級(jí)，軌道及軌道板精調(diào)施工甚至要求達(dá)到亞毫米級(jí)的相對(duì)精度控制要求。

若沒(méi)有高精度、長(zhǎng)效統(tǒng)一的測(cè)量控制基準(zhǔn)，會(huì)在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生許多控制不足及基準(zhǔn)誤導(dǎo)的問(wèn)題［8-9］。比如：受基準(zhǔn)分段不一致影響，實(shí)際施工后大半徑長(zhǎng)曲線實(shí)際上變成了許多不同圓曲線的組合；縱斷面長(zhǎng)坡變成了分段碎坡組合；測(cè)量基準(zhǔn)受區(qū)域沉降影響后誤導(dǎo)施工，同時(shí)無(wú)法獲得準(zhǔn)確合理的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果；高等級(jí)控制網(wǎng)在控制樁丟失補(bǔ)樁后給下級(jí)控制網(wǎng)帶來(lái)局部的扭曲；控制網(wǎng)復(fù)測(cè)后成區(qū)段控制基準(zhǔn)更新對(duì)施工產(chǎn)生影響等等［10］。這些都是高速鐵路測(cè)量位置基準(zhǔn)服務(wù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容和亟待解決的難題。

國(guó)家北斗三號(hào)基本系統(tǒng)的建成及在民用領(lǐng)域的廣泛推廣使得北斗導(dǎo)航技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用更加可行，國(guó)家自然資源部的整合更加有利于各行業(yè)、各部門(mén)規(guī)范、便捷地使用位置基準(zhǔn)服務(wù)。2000年國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心提出的鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)（RITS）發(fā)展理念更是和北斗導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展相得益彰。因此，以GNSS（北斗）地基增強(qiáng)技術(shù)為鐵路行業(yè)基礎(chǔ)，高效綜合利用鐵路所有移動(dòng)裝備、固定設(shè)施、空間、時(shí)間、人力、物力等資源實(shí)現(xiàn)鐵路勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)全過(guò)程、全生命周期的高度信息化、自動(dòng)化、智能化，打造更加安全可靠、更加經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)在必行。

鐵路平面控制基準(zhǔn)的主要目的是為了滿(mǎn)足軌道的軌向平順性控制要求，因此利用軌向的施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可反算控制基準(zhǔn)精度需求。假定起算點(diǎn)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(gè)子區(qū)段。每個(gè)子區(qū)段包含m個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（不含尾點(diǎn)，m為2 的指數(shù)冪，是指實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)里程點(diǎn)數(shù)，一般m≥8），假定m＝8（圖1），則有P1，P2，…，P49共計(jì) 49 個(gè)里程點(diǎn)。具體評(píng)價(jià)方法如下：P1，P9，P17，P25，P33，P41構(gòu)成第1 組評(píng)價(jià)點(diǎn)（點(diǎn)間隔5 m，下同），P2，P10，P18，P26，P34，P42構(gòu)成第 2 組評(píng)價(jià)點(diǎn)；以此類(lèi)推，直到P8，P16，P24，P32，P40，P48構(gòu)成第m（m=8）組評(píng)價(jià)點(diǎn)，完成本30 m（或48a）弦段評(píng)價(jià)。按照0.625 m（或a）的重疊區(qū)段長(zhǎng)度，下一評(píng)價(jià)段自P48起至P96，重復(fù)按相同的方法確定評(píng)價(jià)組。

圖1 30 m（或48a）弦長(zhǎng)軌道平順性檢測(cè)點(diǎn)分布示意

具體評(píng)價(jià)方法示例如下：

P25與P33間的軌向Δh檢測(cè)計(jì)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(zhǎng)，檢測(cè)間隔5 m（或8a）的兩相鄰檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際矢距差與設(shè)計(jì)矢距差的差值要求小于2 mm；采用300 m（480a）弦長(zhǎng)，檢測(cè)間隔50 m 的兩相鄰檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際矢距差與設(shè)計(jì)矢距差的差值要求小于10 mm。這樣的分級(jí)是符合當(dāng)前工業(yè)檢測(cè)及測(cè)繪技術(shù)水準(zhǔn)的。2 mm 以下高精度檢測(cè)（如軌距變化率、水平超高變化率等）采用常規(guī)測(cè)繪技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，只能依賴(lài)于高精度的位移、傾斜傳感器（軌道檢測(cè)小車(chē)內(nèi)置安裝）；軌道短波控制2 mm/8a的軌道精調(diào)要求一般依賴(lài)于高精度全站儀自由測(cè)站邊角交會(huì)測(cè)量，目前受限于衛(wèi)星定位技術(shù)的精度及成本，在時(shí)速160 km 及以上鐵路沒(méi)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益基礎(chǔ)支持，尤其是無(wú)砟軌道受限于精密道床施工及扣件調(diào)整余量必須采用CPⅢ測(cè)量配合工業(yè)精調(diào)設(shè)備實(shí)現(xiàn)；而長(zhǎng)波控制依賴(lài)的線路基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)CPⅠ和線路控制網(wǎng)CPⅡ采用GNSS 實(shí)現(xiàn)控制的技術(shù)路線早已成熟，因此可以采用基于GNSS（北斗）地基增強(qiáng)的新技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。

基于上述分析，可設(shè)定如下的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線。

1）高精度鐵路北斗動(dòng)態(tài)框架控制網(wǎng)

鐵路北斗框架控制網(wǎng)宜在鐵路初測(cè)階段布設(shè)，應(yīng)當(dāng)盡量利用已經(jīng)建設(shè)完成的國(guó)家或地區(qū)級(jí)地基增強(qiáng)站進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，位置或間距不滿(mǎn)足要求時(shí)應(yīng)參考規(guī)范CP0 要求每50 km 設(shè)置1 座。框架控制網(wǎng)建設(shè)完成后，通過(guò)將基準(zhǔn)站網(wǎng)定期自動(dòng)地與國(guó)家永久跟蹤站及國(guó)際IGS跟蹤站進(jìn)行定期、自動(dòng)聯(lián)合解算，確定基準(zhǔn)站在全球框架中的位置變化。通過(guò)站間相對(duì)位置變化的周解、月解、季解檢測(cè)分析各基準(zhǔn)站穩(wěn)定性并確定數(shù)據(jù)更新機(jī)制，從而建立鐵路沿線的永久性動(dòng)態(tài)地心坐標(biāo)框架。高精度鐵路北斗動(dòng)態(tài)框架控制網(wǎng)可達(dá)到水平分量2 mm/a；垂直分量2 mm/a，站間相對(duì)精度1.0×10-8的框架控制精度。在一定區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于GNSS（北斗）地基增強(qiáng)技術(shù)的鐵路工程基準(zhǔn)應(yīng)用必然面向大規(guī)模的GNSS 基準(zhǔn)站網(wǎng)，目前國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)尚無(wú)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(yùn)行站區(qū)域服務(wù)功能，打通目前地、市塊狀區(qū)域服務(wù)的壁壘，但規(guī)?；馕吨W(wǎng)內(nèi)基站數(shù)目的激增、覆蓋地域跨度成倍擴(kuò)大和更多用戶(hù)需求的特色化、多樣化。因此推進(jìn)北斗導(dǎo)航技術(shù)在鐵路行業(yè)全方位應(yīng)用，必須進(jìn)一步研究鐵路系統(tǒng)內(nèi)大規(guī)模站的集成優(yōu)化及其與地區(qū)級(jí)、國(guó)家級(jí)連續(xù)運(yùn)行站的數(shù)據(jù)處理、共享和服務(wù)模式［12］。

2）鐵路北斗地基增強(qiáng)控制網(wǎng)

在鐵路北斗動(dòng)態(tài)框架控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上沿線建立鐵路北斗地基增強(qiáng)控制網(wǎng)，需實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)的唯一性、合理性、時(shí)效性和同傳統(tǒng)控制網(wǎng)的精度評(píng)定銜接。衛(wèi)星定位技術(shù)會(huì)產(chǎn)生坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部的多值和小幅度的不穩(wěn)定。德國(guó)聯(lián)邦鐵路在其所有與軌道技術(shù)有關(guān)的應(yīng)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(guó)土地測(cè)量管理部門(mén)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(shí)用價(jià)值。對(duì)于涉及鐵路建設(shè)具體范圍內(nèi)的高精度需求，單值的控制網(wǎng)才是最理想的基準(zhǔn)。因此對(duì)于每條獨(dú)立建設(shè)的鐵路工程均需研發(fā)一個(gè)同一參考系、同一大地測(cè)量基準(zhǔn)、指定區(qū)域內(nèi)固定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，使鐵路北斗地基增強(qiáng)控制網(wǎng)成為單值控制系統(tǒng)并可隨時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換才會(huì)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)的無(wú)縫連接，其實(shí)質(zhì)也是鐵路線路平面坐標(biāo)的無(wú)縫連接，所以應(yīng)當(dāng)同時(shí)研究基于線路框架控制下的GNSS（北斗）分帶控制網(wǎng)自動(dòng)維護(hù)更新機(jī)制。

精度控制要求方面，現(xiàn)行高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范中對(duì)于線上加密衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的要求是相鄰點(diǎn)相對(duì)中誤差不超過(guò)8 mm，基線邊方向中誤差不超過(guò)1.7″，最弱邊不超過(guò)1/100 000 的要求。而北斗地基增強(qiáng)控制網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行觀測(cè)精度將較大幅度提高，在實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)基準(zhǔn)維護(hù)功能時(shí)，受約束控制、投影變形、坐標(biāo)唯一影響可按照國(guó)家B級(jí)精度控制網(wǎng)進(jìn)行精度估算。

取相鄰點(diǎn)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(shè)置間距S=1 km估算相對(duì)精度，

或

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

可見(jiàn)，按每公里設(shè)置連續(xù)運(yùn)行觀測(cè)站，為無(wú)砟軌道控制網(wǎng)提供實(shí)時(shí)自動(dòng)化的聯(lián)測(cè)需求在精度上是滿(mǎn)足需求的，但每公里的設(shè)置間距會(huì)導(dǎo)致軌道控制網(wǎng)自由測(cè)站聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)邊長(zhǎng)變長(zhǎng)，這樣的影響尚需進(jìn)一步試驗(yàn)研究［13］。鐵路線路的平順性與控制測(cè)量有一定的關(guān)系，但對(duì)于某段線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)，平順度僅是一種局部誤差，用大地測(cè)量的方法不易達(dá)到；同時(shí)受局部平順度位置誤差積累和擴(kuò)大的影響，必然要采用基準(zhǔn)逐級(jí)控制的方法。因此任何GNSS 大地測(cè)量的技術(shù)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(jié)構(gòu)精度控制的影響，可采用“BGNSS（北斗）地基增強(qiáng)系統(tǒng)+慣導(dǎo)軌道檢測(cè)儀+大型養(yǎng)路機(jī)械”的方式直接實(shí)現(xiàn)軌道的大型養(yǎng)路機(jī)械施工及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

現(xiàn)階段軌道施工采用的最優(yōu)設(shè)備為軌道檢測(cè)小車(chē)。其檢測(cè)精度要求可分為2 類(lèi)：①獲取小車(chē)?yán)忡R在鐵路線路的絕對(duì)位置坐標(biāo)；②利用精度更高的傾斜傳感器、位移傳感器獲取檢測(cè)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(jì)算獲得）。鑒于傳感器精度可達(dá)亞毫米級(jí)，因此對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于對(duì)慣導(dǎo)小車(chē)的航跡解算精度［14］。

設(shè)M為軌道安裝后位置誤差要求，m1為地基增強(qiáng)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(xiàng)式展開(kāi)為級(jí)數(shù)，并略去高次項(xiàng)，則

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

可得

代入式（7），可得m1≈0.4M。

由此可見(jiàn)，采用“北斗+慣導(dǎo)小車(chē)”的航跡控制精度應(yīng)當(dāng)控制在軌道安裝絕對(duì)位置要求的0.4 倍，即不超過(guò)4 mm。這樣可以滿(mǎn)足時(shí)速160 km 以下有砟鐵路的軌道大型養(yǎng)路機(jī)械施工要求。

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

傳統(tǒng)鐵路控制網(wǎng)點(diǎn)位布設(shè)與線路兩側(cè)基礎(chǔ)薄弱區(qū)域，易受施工及地表沉降影響，在復(fù)測(cè)不及時(shí)的情況下會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)、建造目的與控制基準(zhǔn)脫節(jié)。而B(niǎo)GNSS（北斗）地基增強(qiáng)技術(shù)連續(xù)運(yùn)行且自動(dòng)化維護(hù)會(huì)避免這方面的問(wèn)題。嚴(yán)密、合理的前期設(shè)計(jì)能更加精確地實(shí)現(xiàn)鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)“三網(wǎng)合一”的測(cè)量要求。但鐵路路基、橋梁未成型前連續(xù)運(yùn)行站無(wú)布設(shè)基礎(chǔ)條件，若建立在線下則后期不利于維護(hù)也無(wú)法與線上軌道控制網(wǎng)順利銜接。因此使用該項(xiàng)技術(shù)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程區(qū)域國(guó)家級(jí)站點(diǎn)分布及線路方案穩(wěn)定情況確定是在定測(cè)階段實(shí)施還是線下工程完成后實(shí)施。以時(shí)速250 km 以上高速鐵路線路里程100 km 精密控制測(cè)量為例，比較傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1初步估算，該項(xiàng)技術(shù)實(shí)施前期會(huì)因大量GNSS（北斗）連續(xù)運(yùn)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(cè)量費(fèi)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(yùn)營(yíng)維護(hù)階段僅需投入較少設(shè)備維護(hù)費(fèi)即可提供更加實(shí)時(shí)精確的測(cè)量控制及形變監(jiān)測(cè)服務(wù)［15］。隨著國(guó)產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)的更新和發(fā)展，成本會(huì)進(jìn)一步降低；隨著項(xiàng)目盈利與成本的抵消，會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

表1 傳統(tǒng)技術(shù)與新技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

3 結(jié)論

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)起步至今時(shí)間尚短，遠(yuǎn)不如GPS 的20 多年時(shí)間，在市場(chǎng)占有率和多模導(dǎo)航芯片制造上遠(yuǎn)不及GPS。但相比較其他兩大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，北斗系統(tǒng)仍有不小優(yōu)勢(shì)，且為我國(guó)自主控制，安全性能有保障。在逐步應(yīng)用中形成北斗與行業(yè)相互適應(yīng)、相互促進(jìn)發(fā)展的有利態(tài)勢(shì)，有利于北斗技術(shù)及裝備制造的發(fā)展，更有利于鐵路行業(yè)測(cè)繪基準(zhǔn)及自動(dòng)化作業(yè)程度的提高。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的分析，可以得出如下結(jié)論：

1）GNSS（北斗）地基增強(qiáng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同量級(jí)的高精度定位，滿(mǎn)足鐵路建設(shè)需求，可為鐵路建設(shè)提供全天候、快速、準(zhǔn)確、可靠的高精度定位服務(wù)，并為鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)合一”提供最穩(wěn)定的基礎(chǔ)支撐。

2）在設(shè)計(jì)階段必須依據(jù)線路具體情況確定觀測(cè)站建設(shè)方式，條件成熟的線路可以選擇定測(cè)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(shí)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(zhǔn)服務(wù)的基礎(chǔ)上，采用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)階段確定后期智能應(yīng)用的方向、形式、深度及應(yīng)用接口設(shè)計(jì)。例如：“北斗+BIM”實(shí)現(xiàn)高精度施工工藝設(shè)計(jì)；“北斗+全站儀自由測(cè)站”建立軌道控制網(wǎng)；“北斗基準(zhǔn)+水準(zhǔn)或傳感器”實(shí)現(xiàn)鐵路構(gòu)筑物自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；“北斗+慣導(dǎo)小車(chē)”快速實(shí)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(chǎng)景；北斗數(shù)字化施工；北斗智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理等。

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