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基于CORS站解算布设铁路工程 CPI控制网应用分析

时间:2024/6/3 8:27:55   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:4   评论:0
内容摘要:郑 超(中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院,黑龙江 哈尔滨 150006)摘要 卫星导航定位技术的发展与应用改变了传统的测量技术手段,基于CORS站的控制测量方案与铁路工程测量“三网合一”理念相适应,具有高精度、低成本、操作简单的优势。文章通过具体项目应用...
郑 超
(中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院,黑龙江 哈尔滨 150006)
摘要 卫星导航定位技术的发展与应用改变了传统的测量技术手段,基于CORS站的控制测量方案与铁路工程测量“三网合一”理念相适应,具有高精度、低成本、操作简单的优势。文章通过具体项目应用,采用两级平差的解算思路,分析了基于CORS站布设CPI控制网方案的优势,旨在为铁路工程CPI控制网布设解算工作提供借鉴。
关键词 CORS;控制测量;两级平差;CPI
中图分类号 P228.4  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0016-03
0 引言
20世纪90年代,美国建成了GPS卫星导航定位系统,并免费向所有用户开放,人类第一次实现了获取自己空间位置信息的能力。但是由于美国政府的政策控制和自然环境因素的影响,一般情况下,只采用GPS进行定位,精度很低。为了突破美国的政策障碍,实现快速高精度定位,出现了卫星定位的地面固定基准站,这是CORS产生的原因,也是CORS发展的最初目的。
CORS(Continuous Operational Reference System)简称连续运行参考站系统。主要由数据处理中心、GNSS基准站和用户端三部分构成。系统基于各种先进的网络技术和通信技术,将各GNSS基准站以及数据处理中心进行连接,数据处理中心通过对各个基准站上的观测数据进行计算处理和播发,用户通过GNSS接收机获得差分信息,从而实现精准定位[1]。
黑龙江省卫星定位连续运行基准站网(HLJCORS)于2016年6月正式上线试运行,是在国家现代测绘基准体系建设框架上按照统一规划和标准建设。系统依托覆盖全省范围的122个基准站,实现卫星信号的捕获、跟踪、采集与传输,通过无线数据通信网络实时自动发布卫星定位观测数据,全天候为用户提供精确的大地坐标,可以实现基于HLJCORS观测的毫米级的事后数据解算服务[2]。
1 测区概况及控制网的布设
大庆高新技术产业开发区铁路专用线新建工程项目,位于安达市和大庆市之间,地处黑龙江省西南部松嫩平原腹地。地貌类型属松花江、嫩江冲积一级阶地。沿线地势平坦开阔,由东北向西南逐渐低下,地面坡度1/600~1/300。项目在滨洲铁路安达站接轨,经由安达市区向西,下穿改建的滨洲双线特大桥和哈齐客专,跨越哈大高速和G10国道后进入产业园区,线路全长25.87 km。
2014年项目启动设计工作,CPI控制网布设遵照《铁路工程测量规范》(TB 10101—2009)中三等精度指标掌握,设计沿线布设16个平面控制点,采用西安80平面坐标系统,同比满足《全球定位系统GPS测量规范》(GB/T 18314—2009)中GPS控制测量D级精度。
2019年项目进入施工阶段,进行控制点复测后明确有5个点位丢失,随即展开了控制点补设工作。在补设点位选取过程中,充分考虑了带状控制网的短基线和中长基线混合的实际情况,本着进一步优化网形的第一原则,尽力降低基线边长比提高平差精度的目的,最终补设5个永久新点位和2个临时点位。补设控制点后CPI网形如图1所示。
2 平面控制网施测
该次外业观测使用6台徕卡GS15双频接收机同步观测记录,合计观测5个同步时段,同步观测有效时长总和超过450 min。对比传统静态观测方式,至少减少了1个同步观测时段和3个已知点位观测操作,外业综合投入减少约20%[3]。该次外业18个点位观测指标按照表1执行(见表1)。
3 数据解算及精度
数据处理前,采用TEQC软件对静态观测数据(RINEX文件)进行质量分析,检查数据可利用率及多路径效应(MP1/MP2)的影响程度,数据可利用率均大于85%,多路径影响均小于0.5 m,满足解算精度要求。同时,收集到观测区域周边的HLJCORS连续运行基准站5座,分别是大庆站(DQLF)、大同站(DQDT)、林甸站(DQLD)、安民站(SHAM)和青冈站(SHQG),所有基准站的西安80坐标均已知,其中大庆站和安民站拟用于检核坐标解算精度。
进行数据融合计算时,选用的5座基准站与布设的16处控制点之间有十几千米甚至几十千米的距离,如果直接将CORS站点与所有点位进行统一平差,受基线边长比的影响,势必会降低约束平差后成果精度和可靠度。为此,经过研究分析,决定先选取5个合理点位进行框架平面控制网CP0解算,网形结构如图2所示。
基线解算完成后,将基线解算成果导入CosaGPS软件中,进行同步环闭合差和异步环闭合差检核。经检核,同步环闭合差和异步环闭合差均合格,未超限。利用大同站、林甸站和青冈站的已知西安80坐标作为起算数据,进行三维无约束平差和三维约束平差,求出CP0各控制点的空间直角坐标、大地坐标及高斯投影后的平面坐标。求出各5个点位在西安80坐标系下的坐标中误差如表2所示。


图2 CP0网形结构图

表2 各控制点在西安80坐标系下的坐标中误差
序号 点号 x方向中误差/cm y方向中误差/cm
1 CPI3 0.11 0.08
2 GPS2 0.11 0.07
3 GPS8 0.11 0.07
4 X1 0.11 0.07
5 X2 0.11 0.08


此时最弱边为GPS2—X1,其相对精度为1/2 766 000,满足规范中限差1/100 000要求[4]。比较大庆站和安民站两点的平差值与真实值差值水平分量均小于8 mm,解算的5个点位的西安80坐标精度可达D级精度要求。
而后,将CP0解算结果引入CPI网推导的基线中进行约束平差计算。保留X2和GPS2坐标用于检核结果精度。平差后最弱边NQ1—NQ2,相对精度为1/267 234,同样满足规范中限差1/100 000要求。比较X2和GPS2两点的平差值与真实值差值水平分量均小于18 mm,解算的15个点位的西安80坐标精度可达D级精度要求。
为了直观展示两次计算结果的差异,对11个原始点位的前后两次计算坐标值进行对比,如表3所示。
从表3可以看出,所有点位较差平面最大分量不超过20 mm,精度良好。较差值ΔX分布呈离散状态,而ΔY反映出CPI分级解算值较比CPI初始值呈整体向西偏移状态,分析产生这一现象原因,是先后两套起算点系统差导致,并不会影响整体控制精度[5]。
时隔四年之久的两次平差成果的高度一致性使得基于CORS站的静态解算方式可靠性得到有力验证。

4 项目实践经验
基于HLJCORS基准站网两级平差解算方案,高效完成了铁路工程CPI控制网的GNSS静态解算工作,项目实践经验总结如下:
(1)基于CORS站解算布设铁路工程CPI控制网方案切实可行。虽然采用分级平差解算过程比一步平差要烦琐,消耗更多内业时间,但是其优势在于可以省去起算地点找寻、复测工作,显著减少外业设备、时间投入,又便于结合测区周边CORS基准站分布位置,优化网形设计,有利于提高整体解算精度,真正实现降本增效的目的,为工期保障提供稳固的基础。
(2)基于CORS站的GNSS解算方案,理论上可以实现单基站高精度解算,这一优势是传统测绘手段所不能比拟的。这种作业手段,彻底推翻传统GNSS观测方式中“同步观测”的硬性要求,摆脱传统GNSS测量方式外业中“快等慢,长等短”的尴尬局面。得益于CORS网基准站点已知的丰富投影转换参数,可以通过同一组观测数据,计算出不同投影面下的高精度平面坐标结果,对于处理一些采用北京54坐标系、西安80坐标系的遗留项目平面控制问题提供了便捷方案。
(3)CORS站可以为区域测绘工作提供一个统一的测绘基准,可以实现省内乃至国内项目控制系统高度统一。这意味着,当不同工程项目需要协同作业或交叉作业时,基于一个相同的标准,项目之间的数据可以更好地进行融合和集成,避免了坐标转换造成的直接精度损失,极大减少内、外业工作投入,为工程项目的顺利实施提供有力保障。
(4)由于受到保密条款等多重实际因素的限制,该次研究未能执行基于HLJCORS的CPI网一次性解算操作。两套起算点也是同名点结果对比中的变量,虽然这种系统差不会对整个控制网的精度和可靠性产生影响,但会对两次结果的一致性造成一定破坏。因此,该次对比同名点较差值分量不大于20 mm,这一结果可能存在一定的偶然性[6]。
5 结束语
随着科技的发展,CORS系统有望逐步取代常规测量控制网地位,切实实现“少造标”到“零造标”的转变。除此以外,CORS系统有望实现与数字广播技术结合,实现通信链路的丰富与补充,会在智能交通、消防救援、抢险救灾等多领域得到更多应用,随着更广泛的行业和群体享受到CORS系统带来的便利,数据安全问题也应当得到更强烈的重视。

参考文献
[1]张鹏飞, 李旺民, 李秀龙. CORS在区域GNSS控制测量中的应用分析[J]. 测绘与空间地理信息, 2023(5): 90-92. 
[2]林飞. 基于CORS的城市轨道交通GPS网的布设及精度分析[J]. 城市勘测, 2017(3): 83-85+89. 
[3]全球定位系统(GPS)测量规范: GB/T 18314—2009
[S]. 北京:中国标准出版社, 2009. 
[4]铁路工程测量规范: TB 10101—2018[S].北京:中国铁道出版社, 2019. 
[5]缑晓阳. 基于CORS的静态长基线观测的精度分析与应用[J]. 矿山测量, 2017(3): 72-76. 
[6]严冬, 李剑锋, 梅熙, 等. 铁路工程长距离带状GNSS控制网高精度解算[J/OL]. 铁道标准设计, 1-8[2024-03-05]. 

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