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(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，穿越季節(jié)性凍土區(qū)的鐵路數(shù)量及列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，受到溫度、列車(chē)振動(dòng)等因素的影響，嚴(yán)寒地區(qū)凍土路基會(huì)產(chǎn)生沉降和凍脹等不均勻變形，對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全性、舒適性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。 為了實(shí)時(shí)掌握嚴(yán)寒地區(qū)凍土路基的不均勻形變，需要研究能夠在低溫環(huán)境(-29 ℃)下可靠工作的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而為嚴(yán)寒地區(qū)鐵路安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)保障[1-2]。

在嚴(yán)寒地區(qū)，全站儀、水準(zhǔn)儀等光學(xué)儀器易受溫度、降雪、上線困難等因素影響，傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法難以滿足路基監(jiān)測(cè)時(shí)效性和精度要求[3-4]；合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)雖具有全天候、監(jiān)測(cè)區(qū)域大、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但其不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，精度也不能滿足要求[5]；GNSS 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候監(jiān)測(cè)路基變形，但存在監(jiān)測(cè)成本過(guò)高等缺點(diǎn)[6-9]。

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)全球組網(wǎng)完成，BDS 的定位性能已可與GPS 媲美，具備了在嚴(yán)寒地區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)期路基長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的技術(shù)條件[10-13]。 因此，采用自主研制BDS監(jiān)測(cè)專(zhuān)用接收機(jī)，并設(shè)計(jì)嚴(yán)寒地區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)期路基BDS 遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)附加路基變形特征約束提高模糊度搜索效率和固定成功率，利用自適應(yīng)抗差卡爾曼濾波算法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于北斗的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)哈佳快速鐵路路基變形的精確監(jiān)測(cè)。

1 路基BDS 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

嚴(yán)寒地區(qū)路基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要兼顧低功耗、低成本、高精度、低溫適應(yīng)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等要求，故研發(fā)了一套路基BDS 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其整體架構(gòu)見(jiàn)圖1。 基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站同步采集BDS B1 頻率觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸給控制中心。 控制中心采用中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司測(cè)繪院自主研發(fā)的北斗高精度數(shù)據(jù)處理軟件BDMonitor V1.0，并可以在鐵路(城軌)綜合監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)發(fā)布。

1.1 硬件系統(tǒng)

低成本、低功耗BDS 芯片的出現(xiàn)，為自主研發(fā)BDS 監(jiān)測(cè)專(zhuān)用接收機(jī)奠定了基礎(chǔ)。 區(qū)別于傳統(tǒng)測(cè)地型接收機(jī)，BDS 監(jiān)測(cè)專(zhuān)用接收機(jī)內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)上傳以降低功耗，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和系統(tǒng)控制模塊。

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

由U-blox NEO-M8T 模塊和BDS 天線(TDXLGGBA7I01)集成實(shí)現(xiàn)，具有并行的GNSS 引擎，可以用于接收BDS、GPS、GLONASS 和QZSS 信號(hào)，同時(shí)還能為其他傳感器提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

(2)無(wú)線傳輸模塊

采用TR800 無(wú)線傳輸模塊，用于BDS 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，支持四個(gè)頻段(GSM 850/EGSM 900/DC 1800/PCS 1900)，工作電壓為 3 ～5.5 V，功耗極低，適合電池供電應(yīng)用。 另外，TR800 內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)它還具有很好的可靠性和穩(wěn)定性，非常適合完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。

(3)系統(tǒng)控制模塊

采用MSP430F5438A 微控制器(TEXAS Instruments)，用于BDS 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和傳感器系統(tǒng)的整體控制，同時(shí)集成3GB 微型SD 卡用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 控制中心向系統(tǒng)控制模塊發(fā)送指令，控制BDS 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及定時(shí)上傳。

圖1 路基BDS 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

控制中心服務(wù)器配置BDMonitor V1.0 軟件，該軟件集成了基于改進(jìn)部分模糊度算法和自適應(yīng)卡爾曼濾波模塊，可以實(shí)現(xiàn)BDS 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)高精度基線網(wǎng)平差解算，見(jiàn)圖2。

圖2 北斗高精度數(shù)據(jù)處理軟件

1.3 數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)

數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)入庫(kù)、實(shí)時(shí)顯示、查詢，報(bào)警信息發(fā)送、查詢、報(bào)表生成功能，為相關(guān)人員管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供B/S 架構(gòu)平臺(tái)，見(jiàn)圖3。 該模塊可查詢、實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)報(bào)表，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)及發(fā)送短信及郵件報(bào)警信息。

圖3 鐵路(城軌)綜合監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)

2 BDS 高精度監(jiān)測(cè)算法流程

BDS 高精度監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)主要包括精密隨機(jī)模型構(gòu)建、B1 頻率模糊度固定算法、BDS 高精度實(shí)時(shí)定位算法。 計(jì)算流程如圖4 所示，基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站基線距離＜10 km，生成基線共視信息，構(gòu)建雙差觀測(cè)模型及精密隨機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)部分模糊度算法，以實(shí)現(xiàn)B1 頻率模糊度的有效固定，構(gòu)建ARMA 系統(tǒng)誤差消除模型和自適應(yīng)抗差卡爾曼濾波模型，最終實(shí)現(xiàn)BDS 實(shí)時(shí)高精度定位[14-15]。

圖4 BDS 高精度定位算法流程

3 BDS 高精度監(jiān)測(cè)工程實(shí)例分析

哈佳快速鐵路位于黑龍江省的中東部，地處松花江南岸的哈爾濱市與佳木斯市，線路全長(zhǎng)343.097 km。 設(shè)計(jì)速度200 km/h，全線鋪設(shè)有砟軌道。 沿線地形地貌主要為沖洪積平原及低山丘陵區(qū)，哈爾濱至賓縣主要為松花江沖洪積平原，賓縣至佳木斯主要為丘陵區(qū)，冬天氣候寒冷，最低氣溫為-29 ℃左右。

BDS 路基遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在哈佳快速鐵路方正縣境內(nèi)，監(jiān)測(cè)站由太陽(yáng)能系統(tǒng)供電，基準(zhǔn)站由工區(qū)市電系統(tǒng)供電，安裝情況見(jiàn)圖5，選取得莫利工區(qū)基準(zhǔn)站及其附近的監(jiān)測(cè)站組成短基線(長(zhǎng)270.255 m)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝

3.1 模糊度固定效果分析

路基在短期內(nèi)具有蠕變特征，形變主要發(fā)生在高程方向，附加變形特征約束可進(jìn)一步縮小搜索空間。選取2019 年10 月1 日 00:00:00～05:00:00 時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)，采樣頻率為1 Hz，統(tǒng)計(jì)分析BDS 單歷元模糊度固定成功率。

采用4 種模糊度固定方法分別對(duì)超短基線和短基線進(jìn)行模糊度搜索，由于BDS 的B1 載波信號(hào)與GPS的L1 載波信號(hào)精度和穩(wěn)定性相當(dāng)，IParLAMBLDC(Improved Partial LAMBDA with Baseline length and Deformation Characteristics Constraints)模糊度固定成功率B1 載波與L1 載波基本一致[9]；對(duì)短基線18 000 個(gè)歷元的數(shù)據(jù)分別采用表1 中的模糊度固定方法進(jìn)行解算， 模糊度固定成功率由高到低依次為IParLAMBLDC、附有基線長(zhǎng)度約束的改進(jìn)部分LAMBDA 方法(IParLAMBL)、部分LAMBDA 方法(ParLAM)和LAMBDA，其中，IParLAMBLDC 模糊度固定成功率達(dá)到了99%以上。

3.2 路基日凍脹量分析

選取2019 年10 月12 日 12:00:00 ～23:59:59 BDS 單歷元觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行路基凍脹變形量分析，該日最高氣溫為9 ℃，最低氣溫為-6 ℃，BDS 自適應(yīng)抗差卡爾曼濾波模型探測(cè)出路基發(fā)生的凍脹變形約為2 mm，而傳統(tǒng)的RTK 算法并不能有效反映出路基的凍脹量，且觀測(cè)噪聲較大，不能滿足鐵路路基監(jiān)測(cè)精度要求，見(jiàn)圖6。

表1 短基線模糊度固定成功率

圖6 路基凍脹變化曲線

3.3 路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析

為分析BDS 數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以小里程方向一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)，沿線路大里程方向?yàn)榭v坐標(biāo)正方向，垂直于線路的內(nèi)側(cè)方向?yàn)闄M坐標(biāo)正方向，見(jiàn)圖7，選取2019-10-01 ～2020-02-11 的BDS 監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖7 BDS 監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)系

圖8 方正縣溫度變化與哈佳快速鐵路路基位移變化情況對(duì)比

為了判斷哈佳快速鐵路路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否變化，選取測(cè)量期間每日凌晨的數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的路基整體變化情況。 哈佳快速鐵路路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)每日凌晨數(shù)據(jù)與方正縣每日溫度對(duì)比(見(jiàn)圖8)。 2019-10-01 ～2020-02-11 期間，K192+548 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生沉降(約22 mm)，變化較大。 溫度降低到-15 ℃以下，路基開(kāi)始穩(wěn)定，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)在此期間基本穩(wěn)定；當(dāng)溫度下降到-29 ℃，BDS 接收機(jī)仍能正常工作。 在哈佳快速鐵路為期5 個(gè)多月的路基監(jiān)測(cè)中，K192+548 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本穩(wěn)定，但在前期三個(gè)月中沉降變化較大，超過(guò)了工后沉降15 mm 的要求，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)未發(fā)生明顯變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 BDS 外符合精度分析

BDS 觀測(cè)墩埋設(shè)有水準(zhǔn)標(biāo)，采用LeicaDNA03 精密電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行精密水準(zhǔn)測(cè)量(測(cè)量精度0.3 mm/km)，可以作為BDS 外符合定位精度的參考標(biāo)準(zhǔn)。 選取2019 年10 月1 日和2019 年11 月7 日兩次的水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與BDS 進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖9)。 由圖9 可知，其外符合精度為0.2 ～2.3 mm，可滿足哈佳快速鐵路監(jiān)測(cè)精度要求。

圖9 BDS 外符合定位精度分析

4 結(jié)論

提出并開(kāi)發(fā)一種針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的鐵路運(yùn)營(yíng)期路基BDS 遠(yuǎn)程變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、耐低溫、測(cè)量精度高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了路基變形的近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，提出了BDS 高精度實(shí)時(shí)定位算法，通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該算法的有效性與精確性，外符合精度可達(dá)到0.2 ～2.3 mm。系統(tǒng)能夠在嚴(yán)寒惡劣環(huán)境下正常穩(wěn)定工作。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，哈佳快速鐵路個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)路基存在明顯沉降情況，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)。 由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)路基變形情況，為數(shù)據(jù)分析、路基修復(fù)加固提供技術(shù)支持。