武瑞宏,許雙安,王建紅,許超鈐,劉 晨

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043； 3.武漢大學(xué)測繪學(xué)院,武漢 430079)

引言

某復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路位于青藏高原東南緣，地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶附近，橫貫三江褶皺及數(shù)個(gè)一級(jí)邊界斷裂，是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最為活躍的區(qū)域之一，具有地殼急劇抬升、板塊強(qiáng)烈擠壓、強(qiáng)震頻發(fā)的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境[7-9]。這樣惡劣多變的外部環(huán)境，導(dǎo)致鐵路精密測量控制網(wǎng)的空間基準(zhǔn)處于持續(xù)動(dòng)態(tài)變化中，而傳統(tǒng)的定期復(fù)測無法及時(shí)感知控制點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化。鐵路建設(shè)工期長，沿線平面、高程控制基準(zhǔn)不穩(wěn)定，將嚴(yán)重影響工程建設(shè)的順利實(shí)施。因此，如何在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路的全生命周期(勘察設(shè)計(jì)、施工建造及運(yùn)營維護(hù))內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的時(shí)空基準(zhǔn)是該鐵路工程測量首要解決的關(guān)鍵問題。

部署CORS(Continuously Operating Reference Stations，連續(xù)運(yùn)行參考站)服務(wù)平臺(tái)[10-12]是解決上述問題的可靠手段。CORS綜合服務(wù)平臺(tái)是現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的關(guān)鍵組成部分[13]，該平臺(tái)利用穩(wěn)定運(yùn)行的CORS基準(zhǔn)站，將GNSS(Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，而后解算軟件實(shí)時(shí)求解，并向用戶播發(fā)改正數(shù)和位置信息，提供便捷的NRTK服務(wù)。CORS平臺(tái)可動(dòng)態(tài)獲悉基準(zhǔn)站發(fā)生的位移，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)的自我校準(zhǔn)，其NRTK(Network Real-time Kinematic，網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量)服務(wù)也可顯著簡化定位作業(yè)的難度。由此可見，CORS平臺(tái)契合復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路工程測量的需要。

為了實(shí)現(xiàn)該復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路高精度動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)維持的需要，中鐵一院依托中國鐵建股份有限公司科技重大專項(xiàng)課題，在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路部署完成了基于7座連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的北斗高精度服務(wù)平臺(tái)[14](以下簡稱“北斗平臺(tái)”)。該平臺(tái)是國內(nèi)首個(gè)落成于高海拔、大高差環(huán)境下的北斗NRTK服務(wù)系統(tǒng)，可動(dòng)態(tài)維護(hù)框架基準(zhǔn)，從根本上解決了空間框架的時(shí)變問題。

1 北斗平臺(tái)的建設(shè)

如圖1所示，北斗平臺(tái)的作業(yè)模式如下。首先，CORS基站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至解算處理中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理并生成虛擬改正數(shù)；然后，服務(wù)管理中心根據(jù)用戶的概略坐標(biāo)分配并播發(fā)相應(yīng)的改正數(shù)；最后，用戶接收改正數(shù)后，即可進(jìn)行快速準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位作業(yè)。可見，CORS基準(zhǔn)站，解算處理中心和服務(wù)管理中心是北斗平臺(tái)的核心組成部分，本文將從上述三方面介紹北斗平臺(tái)的建設(shè)情況。

圖1 北斗平臺(tái)架構(gòu)

1.1 基準(zhǔn)站的建設(shè)

該復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路位于青藏高原東南部，經(jīng)長期的高原隆升演化，在內(nèi)外地質(zhì)動(dòng)力作用下，造成了建站區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)條件，呈現(xiàn)出“三高兩強(qiáng)”的特點(diǎn)，即：高烈度地震、高地應(yīng)力、高地溫及強(qiáng)烈發(fā)育多樣化地質(zhì)災(zāi)害、強(qiáng)烈發(fā)育活動(dòng)斷裂[15]。該段鐵路以傍山隧道走行于帕隆藏布江岸邊，地勢急劇隆升抬起，河流快速強(qiáng)烈下切，谷底與山嶺相對(duì)高差一般在2～3 km，為典型的“V”形高山峽谷地貌，這給北斗基準(zhǔn)站的選址造成了一定困難。

CORS基準(zhǔn)站是北斗平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施[16]，需要確保一次建設(shè)，長期使用。另外，基準(zhǔn)站位置應(yīng)規(guī)避活動(dòng)的斷裂帶，最大程度上減小活動(dòng)斷層的影響；并且，要以定測穩(wěn)定的線路方案為依據(jù)，沿線路走向按20～30 km間距選點(diǎn)，兼顧長大隧道、特大及特殊橋梁及重點(diǎn)控制性工程的精密控制測量的要求，并充分考慮隧道施工輔助通道位置及配套工程應(yīng)用需求。按照上述原則，確定了7個(gè)基準(zhǔn)站的初步位置(圖2)。另需注意的是：圖2所示的基準(zhǔn)代號(hào)僅為示意，并非真實(shí)代號(hào)。在選址完成后，站點(diǎn)上進(jìn)行了多品牌各型號(hào)的GNSS設(shè)備測試，確保衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、可用性等指標(biāo)滿足建站要求。

圖2 基準(zhǔn)站位置示意

測試完成后，7個(gè)基準(zhǔn)站同步開工建設(shè)，并于2020年7月建設(shè)完成(圖3)。7個(gè)基準(zhǔn)站采用市電+電池組+太陽能組合供電模式，以保證在斷電情況下，依靠UPS及電池組支持72 h以上穩(wěn)定運(yùn)行。由于受沿線通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀制約，7個(gè)站點(diǎn)未能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)SDH專線接入，網(wǎng)絡(luò)通訊暫時(shí)采用普通寬帶在公用網(wǎng)絡(luò)上建立虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，利用VPN+ADSL接入方式，后期隨著通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和鐵路建設(shè)推進(jìn)，可升級(jí)為有線通信光纜或鐵路專用綜合信息通信網(wǎng)。

圖3 北斗基準(zhǔn)站

1.2 解算處理中心的建設(shè)

如圖4所示，DreamNET[10]是解算處理中心(解算中心)的核心軟件，該軟件操作簡單，功能豐富，支持新建/刪除基站，基站參數(shù)管理，實(shí)時(shí)NRTK解算，基站狀態(tài)監(jiān)控，和數(shù)據(jù)文件分發(fā)等功能。并且，本軟件還預(yù)留有二次開發(fā)接口，可與其他解算平臺(tái)無縫對(duì)接，滿足變形監(jiān)測、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、坐標(biāo)分析、平差等各種高級(jí)需求。另外，本系統(tǒng)還支持遠(yuǎn)程遙控，管理人員可以遠(yuǎn)程檢查臺(tái)站系統(tǒng)，確保維持高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)。此外，本軟件支持單北斗解算模式，該模式在B1、B2的基礎(chǔ)上，還增加了對(duì)B3[17-19]的處理功能，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的北斗三星多頻解算。

圖4 解算平臺(tái)主控界面

值得注意的是，由于受氣候和地形的影響，低空對(duì)流層狀態(tài)變化頻繁，為了削弱對(duì)流層的影響，本平臺(tái)采用了針對(duì)該區(qū)域構(gòu)建的高精度對(duì)流層延遲模型[20]。該模型是由氣象站數(shù)據(jù)、ECMWF天氣數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品、無線電探空資料以及NRTK提取的GNSS對(duì)流層延遲共同構(gòu)建的。該模型的實(shí)現(xiàn)方式如下。

采用最小二乘法估計(jì)用戶的大氣誤差改正數(shù)，利用赫爾默特估計(jì)方法、二次無偏估計(jì)法等多種定權(quán)方法，建立不同來源的大氣誤差之間的協(xié)方差函數(shù)γi(h)，根據(jù)協(xié)方差函數(shù)計(jì)算觀測值方差矩陣Di和協(xié)方差矩陣Dij。

(1)

權(quán)陣為

(2)

因?yàn)镚NSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)質(zhì)量最高，以其估計(jì)的大氣誤差為基準(zhǔn)，建立顧及系統(tǒng)差的融合觀測方程

(3)

式中，x為待求網(wǎng)格點(diǎn)的融合值；ai、bi為系統(tǒng)差參數(shù)；f為待求參數(shù)與觀測值的函數(shù)。將觀測方程線性化并移項(xiàng)得到誤差方程

(4)

寫成矩陣形式為

V=BX-l

(5)

根據(jù)最小二乘方法即可求解得到融合后的大氣誤差，同時(shí)可進(jìn)行精度評(píng)定，并將其用于NRTK大氣誤差改正和精確位置計(jì)算。

1.3 服務(wù)管理中心建設(shè)

服務(wù)管理中心(服務(wù)中心)是連接解算中心和用戶的樞紐，通過向用戶端播發(fā)由解算服務(wù)器輸出的虛擬改正數(shù)，提供用戶端的高精度定位與導(dǎo)航服務(wù)。除了基礎(chǔ)功能外，服務(wù)中心還支持系統(tǒng)管理，用戶管理(圖5)，信息發(fā)送和站網(wǎng)信息管理等多種功能。另外，與解算中心類似，服務(wù)中心同樣支持二次開發(fā)，后期可根據(jù)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路運(yùn)行維護(hù)的各種需求進(jìn)行個(gè)性化升級(jí)。

圖5 服務(wù)平臺(tái)管理界面

2 測試與分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

本項(xiàng)目采集了7個(gè)基準(zhǔn)站2020年10月11日的北斗和GPS觀測數(shù)據(jù)，采用TEQC軟件[21-22]進(jìn)行了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。評(píng)價(jià)指標(biāo)為：數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)(MP1和MP2)、周跳比和信噪比(SN1和SN2)。部分測站上述指標(biāo)的測試結(jié)果如表1所示。

表1 CORS站北斗觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果(部分)

根據(jù)《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》[23]對(duì)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求，數(shù)據(jù)完整率應(yīng)>85%，MP1<0.5 m，MP2<0.65 m，SN1>4.5 dB，SN2>5.5 dB。另需說明的是，周跳比指標(biāo)沒有明確的規(guī)定，根據(jù)實(shí)際情況，本項(xiàng)目規(guī)定該指標(biāo)應(yīng)大于1 000。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，所有測試站點(diǎn)的參評(píng)數(shù)據(jù)(北斗和GPS)均滿足要求。

2.2 NRTK性能評(píng)估

依托鐵路精密測量控制網(wǎng)的成果，本研究分別采用單北斗和多GNSS系統(tǒng)組合兩種作業(yè)模式進(jìn)行了NRTK定位性能測試。另需說明的是，本項(xiàng)目的所有坐標(biāo)成果均在2000國家大地坐標(biāo)系[24]下，其中，平面成果是以96°E為中央子午線進(jìn)行高斯投影后的平面直角坐標(biāo)，高程是相應(yīng)的大地高。

為了測試北斗平臺(tái)NRTK的定位精度，本項(xiàng)目選取55個(gè)鐵路控制點(diǎn)，分別采用單北斗和多GNSS系統(tǒng)組合(GPS，BDS和GLONASS)的作業(yè)模式，進(jìn)行定位精度測試。每個(gè)測試點(diǎn)采用上述兩種作業(yè)模式分別采集3組結(jié)果，利用這3組結(jié)果統(tǒng)計(jì)內(nèi)符合精度，利用3組點(diǎn)位中誤差的平均值作為最終定位結(jié)果統(tǒng)計(jì)外符合精度。測試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 單北斗和多GNSS組合作業(yè)模式下NRTK的內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì) mm

表3 單北斗和多GNSS組合作業(yè)模式下NRTK的外符合精度統(tǒng)計(jì) mm

根據(jù)《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)測試技術(shù)規(guī)范》[25]要求，NRTK定位的內(nèi)符合精度需滿足平面≤3 cm，高程≤5 cm要求。從表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得：從內(nèi)符合精度上看，單北斗和多GNSS組合作業(yè)模式的平面位置精度均優(yōu)于1 cm，高程位置精度優(yōu)于2 cm，均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。另據(jù)規(guī)范要求，NRTK定位的外符合精度需滿足：平面≤5 cm，高程≤10 cm。由表3可知，從外符合精度上看，單北斗和多GNSS組合作業(yè)模式的平面定位精度均優(yōu)于2 cm，高程位置精度優(yōu)于5 cm，同樣遠(yuǎn)超規(guī)范要求。綜上，北斗平臺(tái)的NRTK定位性能優(yōu)異，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。值得注意的是，由于多GNSS組合模式可觀測衛(wèi)星數(shù)更多，使多GNSS組合模式的內(nèi)、外符合精度略好于單北斗模式。

3 結(jié)論

經(jīng)過建設(shè)和部署，復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路北斗高精度服務(wù)平臺(tái)已建設(shè)完成并投入試運(yùn)行。北斗平臺(tái)架構(gòu)合理，功能豐富，并且本研究還對(duì)北斗平臺(tái)進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量測試和實(shí)地NRTK性能評(píng)估，取得如下成果。

(1)所有測站的參評(píng)數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，足見各基準(zhǔn)站設(shè)備可在高原區(qū)復(fù)雜、惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)多GNSS系統(tǒng)組合的作業(yè)模式下，NRTK的平面內(nèi)符合精度優(yōu)于1 cm，外符合精度優(yōu)于2 cm，高程方向內(nèi)符合精度優(yōu)于2 cm，外符合精度優(yōu)于5 cm，滿足精度要求。

(3)單北斗作業(yè)模式下，NRTK的平面內(nèi)符合精度優(yōu)于1 cm，外符合精度優(yōu)于2 cm，高程方向內(nèi)符合精度優(yōu)于2 cm，外符合精度優(yōu)于4 cm，滿足精度要求。

(4)值得注意的是，即使是周圍環(huán)境較差或者網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳的測點(diǎn)，在單北斗或多GNSS組合作業(yè)模式下也能較快地得到高精度的固定解，初始化的時(shí)間約10 s。

綜上，北斗平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，精度可靠，滿足鐵路高精度導(dǎo)航定位的需求。北斗平臺(tái)將在今后長期連續(xù)運(yùn)行，逐步取代常規(guī)的大地測量控制網(wǎng)，全天候地進(jìn)行各種類型的北斗/GNSS定位、變形監(jiān)測和放樣作業(yè)。未來，CORS站將擴(kuò)大規(guī)模，解算和運(yùn)維中心也將面對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路的實(shí)際需要繼續(xù)進(jìn)行個(gè)性化升級(jí)。另外，基于北斗平臺(tái)提供的精確動(dòng)態(tài)時(shí)空基準(zhǔn)，可開展如形變監(jiān)測和大氣監(jiān)測等業(yè)務(wù)，進(jìn)一步深化平臺(tái)的應(yīng)用范圍。