GPS技术在张呼铁路工程中的应用

GPS技术在张呼铁路工程中的应用

费纬

中铁四局集团建筑工程有限公司安徽省合肥市230041

摘要:随着我国高速铁路的日益建设和发展，其测量技术也在与时俱进，尤其是GPS作为近年来崭露头角的新兴技术正被铁路工作者瞩目。这种最早作为情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的开发出的技术，经过30余年的发展变化，现在以其速度快,精度高,全天候,不受通视条件限制、省费用、操作简便等优良特性，被广泛应用于施工测量中大地控制网的建立、施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据采集等领域。本文将阐述GPS技术在张呼铁路工程中的具体应用，以及使用过程中的使用技巧及注意问题。

关键词:GPS技术RTK静态定位

GPS又称为全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年耗资200亿美元，于1994年3月完成其整体部署，实现其全天候、高精度和全球的覆盖能力。现在GPS与现代通信技术相结合，使得测定地球表面三维坐标的方法，从静态发展到动态，从数据后处理发展到实时的定位与导航，极大地扩展了它的应用广度和深度。载波相位差分法GPS技术可以极大提高相对定位精度，在小范围内可以达到厘米级精度。此外由于GPS测量技术对测点间地通视和几何图形等方面地要求比常规测量方法灵活、方便已完全可以用来施测各种等级地控制网，在精度、效率、成本等方面显示出巨大的优越性。

1GPS技术在张呼铁路工程中的应用优势

我单位承建的新建张家口至呼和浩特ZHZQ-1标线路全长27km，其中特大桥3座总长24km，特殊结构连续梁共11座，路基总长3km，框架桥涵15座，线下工程施工工期24个月。在面临施工工期短，任务重，地质差等不利因素下，采用传统的数字测图技术进行放样是远远跟不上施工进度，也很难保证施工质量与放样精度。于是在项目建设初期，我单位就购买一组GPS接收机用于施工控制网的建立以及日常测量放样。

事实证明，GPS技术在施工生产中发挥了无可比拟的优势，尤其是RTK技术运用，即实施载波相位测量的简称，发挥了以下测量优势：

1.1能够全天候进行作业。

目前GPS接收机可收到北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS以及欧盟GALILEO四大导航系统的协作支持，卫星数目较多且分布均匀，可以在地球上任何地点、任何时间至少可以同时观测到4颗卫星。一般情况下，除打雷闪电不宜观测外，其他天气(如阴雨下雪、起风大雾等)也不受影响，对缩短建设工期有极大贡献。

1.2定位精度高

动态定位测量前需要在基准站点上静态观测2～10s以进行初始化工作，之后流动站就可以接收卫星信号进行解算，并连同基准站的同步观测数据，实时确定采样点的空间位置。目前，其定位精度可以达到厘米级，已经远远满足钻孔桩，路基以及部分桥梁施工要求。

1.3观测时间短，自动化程度高可大大加快工作效率。

采用RTK时，仅需一人使用仪器在要测的地形地貌碎部点静止一二秒钟，并同时输入特征编码，通过手簿就能读取当前测量点距放样点或线的纵横坐标差Dx、Dy、S以及方位，并以图形方式显示出来，同时显示测量的点位精度水平，当精度水平达到期望值时可结束该点的放样，操作起来比较直观、方便。相比传统的全站仪二人组进行放样，不仅节省了大量人力和时间，更避免了各后视点无法通视带来的麻烦以及衍生出的测量误差。

1.4可提供可靠的测量复核。

众所周知，测量复核制主要采用不同人员，不同仪器或者不同方法进行复核，而张呼铁路作为高速铁路，各项工程施工测量允许偏差非常严格。GPS本身结构特性相较于传统脆弱的光学仪器就已经提供了可靠的稳定保障。进行控制点施工校核来保证本身的准确性也是非常方便直观，这样就能与传统测图技术进行相辅相成复核，做到施工零错误。

2GPS技术在张呼铁路项目中的具体应用

2.1GPS静态定位的具体应用

我单位承建的张呼铁路管段里程长，技术要求等级高，前期部署以及复测控制加密网时注定无法采用传统的附合导线测量法，而GPS技术中的静态定位则有效地解决这一问题。布设GPS基线向量网主要分测前、测中和测后三个阶段进行。

2.1.1测前工作

俗话说“不打无准备之仗”，在进行GPS静态观测之前的准备工作也是十分重要的。首先，测量人员需掌握本项目控制网技术要求等级，每个时段需测多少时间，如张呼铁路要求控制网等级为三等，规范要求每个有效时段≥60min，事实上为了保证测量精度每个时段我们测量时间为1h30min，这样可以为后期解算基线充分保证信号质量和剔除率。其次，测量人员需掌握每个时段测区的位置和范围，控制点位的数量和位置。这样测量组就可以事先规划每个时段联测点的数量、间距和搭接点数。然后，测量人员需要做的就是在TrimbleConfiguratio软件下设置每台接收机必须工作在静态观测模式下，确认每台接收机是否能正常接收卫星型号等。最后，是测量人员的培训，包括GPS接收机的使用和架设、记录用表的规范填写等。

2.1.2测量实施

测量准备工作全部完成之后进行外业观测。虽然外业观测看似简单并且快速方便，然而也要注意一下几点。首先，观测组必须全员遵守调度命令，按规定的时间统一开关机，这样才能获得高质量的同步观测环。其次，在接收机正式工作后人员不得无故擅自离开测站，应防止碰动仪器或者行人和其他物体靠近天线遮挡卫星信号的事情发生。观测人员中途也禁止随意关闭或重新启动接收机。在当天外业观测结束后，应及时地将观测数据传输到计算机中，并根据要求进行备份，在数据传输时需要对照外业观测记录手簿，检查输入的记录是否正确。最后，进行基线预处理与质量评估：对所获得的外业数据及时地进行预处理，解算出基线向量，并对解算结果进行质量评估。作业指挥员需要根据基线解算情况作下一步GPS观测作业的安排。重复确定作业方案、外业观测、数据传输与转储、基线处理与质量评估四步，直至完成所有GPS观测工作。

2.1.3测后工作

测后工作大致分为两步：结果分析（网平差处理与质量评估）和技术总结（加密复测成果报告）。当所有外业测量结束后，先对观测所得到的基线向量进行质量检验，并对由合格的基线向量所构建成的GPS基线向量网进行三维无约束平差和联合平差得出网中各点的坐标成果。如果需要利用GPS测定网中各点的标高，还需要进行高程拟合。当成果出来后根据整个GPS网的布设及数据处理情况，进行全面的技术总结，出具加密复测成果报告。

2.2实时动态测量（RTK）技术在测量放样中的具体应用

GPS-RTK系统的工作系统是基于WGS-84地心坐标系统，其全部观测值以及结算结果均属于WGS-84系统。张呼铁路设计所采取的为WGS-2000国家大地坐标系作为坐标基准，并且将全线又划分为9个投影坐标带，因此是不能直接使用RTK系统所默认的观测成果。前期交桩时设计已经给出WGS-2000坐标系参数，并且也有项目所处的投影带的各投影参数，我们要做的是在GPS手簿中新建自定义工地系统，将本项目所用的坐标系统和投影带参数输入进去并使用该模板。这样做的另一个优点在于日后若需要重新建立新任务或者新线路，只要还在本项目范围内的就不必再重新输入参数，直接复制套用该模板即可。

GPS-RTK技术在张呼铁路工程中的应用除了日常特大桥碎部点施工放样，铁路路基中线放样之外，还承担着征地测算面积并绘制大比例地形图等任务。由于张呼线路所跨地形复杂多样，包括耕地、林地、湿地、养殖场等。若用传统的测量方法先建立全面控制网再每家每户测算面积绘制地形图，不仅工作量大而且效率低下，同时也浪费大量时间和人物力。但是在运用GPS-RTK进行测量时，只需要在每个碎部点上进行5~10s的采集和存储，所有的地形特征点坐标和属性就会一清二楚，就可以及时绘制出大比例地形图，所需要的边长、红线划分、面积等信息全都毫无巨细体现出来。

2.3GPS技术在张呼铁路实际应用中需注意的问题

GPS通常采用的为载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线型组合。虽然这种定位模式优点是观测精度高，广泛用于各施工部位，但缺点也同样明显，数据处理过程复杂，只要信号稍微受到干扰，就无法生成固定解，存在整周模糊度的问题。现场施工条件错综复杂，吊车、旋挖桩机等大型机械众多，左右又有钢筋笼等金属物体陈列，多路径效应常常导致GPS无法得到固定解。这时一定不能进行放样工作，可让现场机械进行挪动或排除影响物体，当GPS接收机重新进行初始化后并得到固定解方可继续进行测量放样工作。如条件十分恶劣确实无法进行放样可进行迁站采用内置电台方法。

另外需要注意的是GPS作业时由于每个测点都是独立的观测量，缺乏相关联的检核手段。一旦出现基站偏差或是信号异常等情况，人员是无法察觉的。因此，在作业前后，在测区内找均匀分布的已知控制点进行检核，是目前较好的检核手段。

结束语

GPS技术是测量领域的又一次技术革命。它改变了传统的测量模式，能够实时提供厘米级定位精度，能够在不通视的条件下远距离定位三维坐标。在张呼铁路工程中，更是出色完成了绝大部分测量任务，大大减轻了测量人员的内外业劳动强度，因此，我深信GPS技术随着未来空间技术的发展，前景会更加辉煌。

参考文献:

《铁路工程卫星定位测量规范》TB10054-2010中国铁道出版社2014