浅谈GNSS在高速铁路CPIII精密控制测量中的应用

吴业平

摘 要：随着我国高速铁路的发展，高速铁路精密控制测量在高速铁路工程领域的作用也就越来越明显。传统的高速铁路工程测量使用的测角与边不能适用现在的时代需求，在GNSS技术环境下，高速铁路轨道CPⅢ平面控制网精密测量如何快速获取精确数据，并建立数据采集和分析一体化系统以及实际工程项目为向导进行GNSS接收机搭载轨检小车进行高速铁路轨道CPⅢ平面控制网测量的数据采集与数据分析处理是重点和难点。

关键词：高速铁路;GNSS系统;CPIII测量

一、前言

（一）问题的提出

近年来，随着全球科学技术的进步，测量领域取得了突出的成就，由原来传统老式的光电水准仪和经纬仪进行传统的测角量边到如今借助卫星通信技术的信息化测量，特别是在高速铁路工程领域，基于GPS导航的测量定位技术已经在高速铁路工程测量和监测领域取得显著成效，各项功能和指标都有比较成功的应用。那么在GNSS导航系统内，高速铁路领域的工程测量会发生哪些变革，特别是 CPIII精密控制測量领域中，如何对高速铁路CPⅢ 控制网进行优化设计以及测量方案技术研究方法的探讨，都具有重要的现实意义。

二、研究结果及分析

基于GNSS系统内的高速铁路CPⅢ精密控制测量技术的运用研究主要如下：

（一）基于GNSS技术的定位原理与优势

将 2 台以上的 GNSS 接收机安置在固定的测站上 （相邻测站点间距<1km），同步观测四颗以上的卫星 30～90min，测量出测站点 P 至 4 颗以上 GNSS 卫星的距离，并解算出该时刻卫星的空间位置，据此利用空间距离后方交会法可解算出测站点 P的三维坐标。即三维三边测量法（见图 1），3 个距离观测值可以解算出 1 个点的纬度、经度与大地高程，其他多余观测量进行位置修正。

GNSS 静态相对定位测量有以下优点：

1）效率高：GLONASS、GPS 卫星、北斗卫星取消 SA 的干扰，使其测试精度提高了 3 倍。在静态、动态及半动态的工作中，利用 3 个导航卫星系统定位速度更快，进而加快了整个数据采集处理的速度。

2）更可靠：提供了更多的高仰角卫星，增加可观测的卫星数量，增加的卫星数目会使卫星几何分布更好，极大地提高发现和孤立故障卫星的能力，能更好地覆盖有遮挡的困难地区。

3）提供三维坐标：GNSS 测量技术可同时精确测定测站点的三维坐标，且在通视较好的平原或丘陵地区，高程拟合（平面拟合）可满足二等水准测量的精度要求，特别是对于高速铁路工程项目监测和复测成果明显提高其工作效率。

4）测站点间无须通视：不要求测站点之间相互通视，只需测站上空开阔，点位疏密可根据需要灵活选择，可省去常规高程测量中的传算点、过渡点的测量工作。特别是对于那些桥涵、隧道工程的监测工作，大大提高了可操作性。

（二）GNSS技术用于高速铁路CPⅢ控制测量中的精度分析

整个高速铁路建设分为勘测设计阶段、施工组织阶段、运营维护阶段，每一个阶段，测量工作都在其中发挥了很重要的作用，即时是基础作用，也是决定工程成败的关键作用。目前我国铁路工程测量要求铁路的勘测设计控制网、施工组织控制网、运营维护控制网必须统一坐标系和起算基准，也就是“三网合一”，而高速铁路施工控制网包括CPI（一级基础平面控制网）、CPII（二级线路平面控制网）CPⅢ（三级轨道控制网），可见高速铁路CPⅢ精密控制测量技术是整个高速铁路测量中很重要的环节。而CPIII精密控制测量网的方案技术设计主要包括精度指标的合理确定，观测的技术要求以及控制网的建立三个方面。

在GNSS系统内测量：精度指标是以最新的高速铁路测量规范为依据，是基于GNSS系统环境下建立起的CPIII精密控制测量网，CPIII控制网分初级和加密级两个等级进行布设。首级GNSS控制网的等级为CPIII初级控制网，次级GNSS控制网的等级为CPIII等级加密控制网。加密级完全在初级的控制之下，CPIII初级控制网点均匀布设，覆盖整个高速铁路工程沿线。控制网高速铁路线路呈网状布设。每8个点组成的CPIII初级控制网按照GNSS控制网精度要求进行外业观测测量，采用8台天宝R4GNSS接收机（或莱卡系列GNSS接收机）进行外业静态观测，每条边观测时段不少于2个，每个时段不短于90分钟，卫星高度角不小于15°，接收机采样间隔设置为15S，PDOP或GDOP值值不超过6。观测时天线整平对中误差不大于1mm，每时段观测前后各量取天线高1次，两次互差小于3mm，取其平均值作为最后观测值。

以具体的郑万高铁湖北段ZWZQ-3标段的为例，本测区位于位于湖北省襄阳市襄州区峪山镇、东津新区境内，起讫线路里D1K386+961.408-D1K391+924.180。本测区平面坐标系采用既有精测网的工程独立坐标系，采用参考CGCS2000椭球体，中央子午线为112°30′，投影面大地高为45米，高程异常-22米。高程系统采用既有精测网高程系统，即1985国家高程基准。本测区CP，CPⅢ高程控制网共测量CPⅢ点186个，联测二等水准加密点6个（386JMH22、388JMH21、389JMH21、390JMH21、391JMH21、392JMH21）。

测量方法采用自由测站边角交会方法对本测区CPⅢ点进行平面测量，并与CPIII同等级加密控制点进行了联测;采用矩形环单程水准路线方法对本测区CPⅢ点进行高程测量，并与二等水准点、二等水准加密点进行联测。

测量设备1）徕卡GNSS 接收机8台套，均检定合格;2）徕卡配套 TS60型全站仪1台，仪器标称精度：0.5〞，0.6mm+1.0ppm，检定合格;3）轨道几何状态检查车与GNSS系统兼容并能接收多个卫星信号。

CPⅢ控制点应设置在稳固、可靠、不易破坏和便于测量的地方。CPⅢ控制网布设的技术主要技术要求如表1所示。

本测区路基段CPⅢ点成对埋设在路基上设置的專用控制桩上，桥梁段CPⅢ点在选定位置桥梁固定支座上方防撞墙顶钻孔进行埋设。 CPⅢ控制点的布设与传统的测量方法不同，是按下列要求执行：天线安置的对中误差不应大于1mm，天线高量取应精确至1mm，在120度方向三次量取，较差不大于2mm取中数使用;观测作业应严格按调度表进行，保证同步观测同一组卫星，不得中间关机，改变天线位置或观测参数及进行其他调试等观测中，应避免在接收机近旁使用无线电通信工具;观测员在作业期间不得擅自离开测站，并应防止仪器受震动和被移动，防止人与其他物体靠近天线，遮挡卫星信号;作业同时应填好观测手簿，包括控制点点名、接收机序列号、仪器高、天线类型、开关机时间等相关的测站信息，不得缺项。GNSS控制网采用静态作业模式，采用双频接收机进行观测，作业前对卫星接收机和天线等设备进行常规检查，采用统一印制的观测手簿进行记录。观测过程中，定时检查接收机观测状况，并量取天线高，精确至1mm。

经对比分析，中误差和闭合差以及限差数值均小于传统测量方法的数值，项目在实施过程中，为提高庞大的内业计算效率，项目组采用了若干软件，包括导线边长高斯投影改化、高程归化等软件，通过最新软件的应用，大大提高了作业效率。此段路标CPIII控制网中导线边长改化工作，采用常规方法利用Excel表格编写相关公式进行计算，上百个导线边长需要一天的时间，采用最新的导线边长改化软件后，此项工作只需要几分钟的时间。CPIII控制网的定点数据采用整体平差的方式，在控制网定位中间尽量与卫星定位控制点联测，保证了点坐标精确度的统一。其次CPIII精密控制网的各项指标均小于限差，满足规范要求;通过上述精度分析表明，郑万高铁湖北段ZWZQ-3标段CPIII精密控制网各项精度指标均达到规范要求，可作为整个郑万高铁工程测量的测绘基准点，为进一步的轨道控制网CPIII和轨道基准网GRP的建立打下坚实基础。

（三）在GNSS系统内的CPⅢ平面控制测量中内业数据处理与分析

以具体的郑万高铁湖北段ZWZQ-3标段的为例，本区段CPⅢ平面网共观测CPⅢ控制点186个，联测CPⅡ同等级精度加密控制点10个。其自由网平差的精度情况如表2所示，搭接前约束网平差的精度情况如表3所示，各项精度指标均满足规范要求。

本区段与相邻大、小里程段的CPⅢ平面网各重叠测量了6对CPⅢ点，由表可知，本区段与相邻小里程段的CPⅢ平面网，搭接处的重叠点独立平差坐标成果较差均满足≤3mm的规范要求，可进行下一步搭接处理。为了做好轨道控制网区段间的衔接，保证CPⅢ平面网精度的平稳过渡，本次搭接处理过程中除了使用独立平差时使用的约束点外，还采用了重叠处上一区段的部分CPⅢ成果作为起算点，其搭接后约束平差的精度情况如表所示，约束平差后重叠测量的CPⅢ点前后区段坐标成果较差情况。

三、研究总结

在GNSS系统内进行CPIII精密控制测量作业，由于获得的卫星通信信号要强于单独的GPS卫星通信信号，且通过比较其精确度与各项指标值均高于传统测量作业方法，随着北斗卫星通信系统的越来越完善，其精确度和灵敏度也会越来越好，那么这种兼容性的GNSS系统下的各种测量仪器设备也会越来越多，因此GNSS控制测量也是大势所趋，特别是高速铁路测量领域内，由于高速铁路要求高平顺性，并且在设计、施工、运营过程中都需要测量，因此工程量大，测量任务繁重，特别是在监测过程中，细微的变动都会引起很大误差，需要对CPIII控制测量网进行实时监测也是趋势之一，那么对CPIII控制测量技术进行研究具有很大的工程意义和实用价值。

参考文献：

[1] 《高速铁路工程测量规范》（TB10601-2009）

[2]孟庆辉，李玉成 多GNSS环境下卫星导航信号体制研究与设计[J]卫星导航定位与北斗系统应用

[3]罗显志，解剑 GNSS实时卫星导航信号质量监测方法研究[J]卫星导航定位与北斗系统应用

[4]龚洪 地铁铺轨工程中高铁CPⅢ技术的应用价值思考[J]山东工业技术

[5]吴恒友黔中水利枢纽一期工程GNSS施工控制网测设[J]卫星导航定位与北斗系统应用

[6]王智，胡玉祥，孟庆年，张洪德 青岛地铁8号线高精度空间基准建立及关键技术研究[J]卫星导航定位与北斗系统应用

校级课题：基于GNSS系统的高速铁路CPIII精密控制测量技术研究，

项目编号为（2018005）