張云龍

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著我國鐵路建設的不斷發(fā)展，穿越季節(jié)性凍土區(qū)的鐵路數(shù)量及列車運行速度不斷提高，受到溫度、列車振動等因素的影響，嚴寒地區(qū)凍土路基會產生沉降和凍脹等不均勻變形，對列車運行安全性、舒適性構成嚴重威脅。 為了實時掌握嚴寒地區(qū)凍土路基的不均勻形變，需要研究能夠在低溫環(huán)境(-29 ℃)下可靠工作的長期實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，從而為嚴寒地區(qū)鐵路安全運營提供技術保障[1-2]。

在嚴寒地區(qū)，全站儀、水準儀等光學儀器易受溫度、降雪、上線困難等因素影響，傳統(tǒng)的人工測量方法難以滿足路基監(jiān)測時效性和精度要求[3-4]；合成孔徑雷達差分干涉測量技術雖具有全天候、監(jiān)測區(qū)域大、時空分辨率高等優(yōu)點，但其不能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，精度也不能滿足要求[5]；GNSS 技術能夠實現(xiàn)近實時、連續(xù)、全天候監(jiān)測路基變形，但存在監(jiān)測成本過高等缺點[6-9]。

隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)全球組網完成，BDS 的定位性能已可與GPS 媲美，具備了在嚴寒地區(qū)鐵路運營期路基長期監(jiān)測的技術條件[10-13]。 因此，采用自主研制BDS監(jiān)測專用接收機，并設計嚴寒地區(qū)鐵路運營期路基BDS 遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)，通過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，利用自適應抗差卡爾曼濾波算法，設計開發(fā)基于北斗的自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)哈佳快速鐵路路基變形的精確監(jiān)測。

1 路基BDS 遠程監(jiān)測系統(tǒng)

嚴寒地區(qū)路基監(jiān)測系統(tǒng)需要兼顧低功耗、低成本、高精度、低溫適應性和長期穩(wěn)定性等要求，故研發(fā)了一套路基BDS 遠程監(jiān)測系統(tǒng)，其整體架構見圖1。 基準站和監(jiān)測站同步采集BDS B1 頻率觀測數(shù)據，通過GPRS 無線網絡自動傳輸給控制中心。 控制中心采用中國鐵路設計集團有限公司測繪院自主研發(fā)的北斗高精度數(shù)據處理軟件BDMonitor V1.0，并可以在鐵路(城軌)綜合監(jiān)測檢測系統(tǒng)中實時發(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)測專用接收機奠定了基礎。 區(qū)別于傳統(tǒng)測地型接收機，BDS 監(jiān)測專用接收機內置數(shù)據傳輸、存儲模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據定時上傳以降低功耗，主要包括數(shù)據采集模塊、數(shù)據傳輸模塊和系統(tǒng)控制模塊。

(1)數(shù)據采集模塊

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

(2)無線傳輸模塊

采用TR800 無線傳輸模塊，用于BDS 原始觀測數(shù)據的傳輸，支持四個頻段(GSM 850/EGSM 900/DC 1800/PCS 1900)，工作電壓為 3 ～5.5 V，功耗極低，適合電池供電應用。 另外，TR800 內置 TCP/IP 協(xié)議，簡化了數(shù)據傳輸，同時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)據無線傳輸功能。

(3)系統(tǒng)控制模塊

采用MSP430F5438A 微控制器(TEXAS Instruments)，用于BDS 原始觀測數(shù)據和傳感器系統(tǒng)的整體控制，同時集成3GB 微型SD 卡用于數(shù)據存儲。 控制中心向系統(tǒng)控制模塊發(fā)送指令，控制BDS 原始觀測數(shù)據的存儲及定時上傳。

圖1 路基BDS 遠程監(jiān)測系統(tǒng)整體架構

1.2 數(shù)據處理系統(tǒng)

控制中心服務器配置BDMonitor V1.0 軟件，該軟件集成了基于改進部分模糊度算法和自適應卡爾曼濾波模塊，可以實現(xiàn)BDS 原始觀測數(shù)據高精度基線網平差解算，見圖2。

圖2 北斗高精度數(shù)據處理軟件

1.3 數(shù)據發(fā)布系統(tǒng)

數(shù)據發(fā)布系統(tǒng)主要包括數(shù)據入庫、實時顯示、查詢，報警信息發(fā)送、查詢、報表生成功能，為相關人員管理監(jiān)測數(shù)據提供B/S 架構平臺，見圖3。 該模塊可查詢、實時顯示監(jiān)測點三維坐標數(shù)據，生成相應報表，數(shù)據實時入庫及發(fā)送短信及郵件報警信息。

圖3 鐵路(城軌)綜合監(jiān)測檢測系統(tǒng)

2 BDS 高精度監(jiān)測算法流程

BDS 高精度監(jiān)測關鍵技術主要包括精密隨機模型構建、B1 頻率模糊度固定算法、BDS 高精度實時定位算法。 計算流程如圖4 所示，基準站與監(jiān)測站基線距離＜10 km，生成基線共視信息，構建雙差觀測模型及精密隨機模型，在此基礎上改進部分模糊度算法，以實現(xiàn)B1 頻率模糊度的有效固定，構建ARMA 系統(tǒng)誤差消除模型和自適應抗差卡爾曼濾波模型，最終實現(xiàn)BDS 實時高精度定位[14-15]。

圖4 BDS 高精度定位算法流程

3 BDS 高精度監(jiān)測工程實例分析

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343.097 km。 設計速度200 km/h，全線鋪設有砟軌道。 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 路基遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)安裝在哈佳快速鐵路方正縣境內，監(jiān)測站由太陽能系統(tǒng)供電，基準站由工區(qū)市電系統(tǒng)供電，安裝情況見圖5，選取得莫利工區(qū)基準站及其附近的監(jiān)測站組成短基線(長270.255 m)進行數(shù)據分析。

圖5 系統(tǒng)現(xiàn)場安裝

3.1 模糊度固定效果分析

路基在短期內具有蠕變特征，形變主要發(fā)生在高程方向，附加變形特征約束可進一步縮小搜索空間。選取2019 年10 月1 日 00:00:00～05:00:00 時間段內數(shù)據，采樣頻率為1 Hz，統(tǒng)計分析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超短基線和短基線進行模糊度搜索，由于BDS 的B1 載波信號與GPS的L1 載波信號精度和穩(wěn)定性相當，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]；對短基線18 000 個歷元的數(shù)據分別采用表1 中的模糊度固定方法進行解算， 模糊度固定成功率由高到低依次為IParLAMBLDC、附有基線長度約束的改進部分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 單歷元觀測數(shù)據，進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 自適應抗差卡爾曼濾波模型探測出路基發(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，且觀測噪聲較大，不能滿足鐵路路基監(jiān)測精度要求，見圖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 路基長期穩(wěn)定性分析

為分析BDS 數(shù)據的長期穩(wěn)定性，以小里程方向一個監(jiān)測點為原點，沿線路大里程方向為縱坐標正方向，垂直于線路的內側方向為橫坐標正方向，見圖7，選取2019-10-01 ～2020-02-11 的BDS 監(jiān)測站數(shù)據進行分析。

圖7 BDS 監(jiān)測站坐標系

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比

為了判斷哈佳快速鐵路路基監(jiān)測點是否變化，選取測量期間每日凌晨的數(shù)據，分析監(jiān)測點的路基整體變化情況。 哈佳快速鐵路路基監(jiān)測點每日凌晨數(shù)據與方正縣每日溫度對比(見圖8)。 2019-10-01 ～2020-02-11 期間，K192+548 處監(jiān)測點發(fā)生沉降(約22 mm)，變化較大。 溫度降低到-15 ℃以下，路基開始穩(wěn)定，其他監(jiān)測點在此期間基本穩(wěn)定；當溫度下降到-29 ℃，BDS 接收機仍能正常工作。 在哈佳快速鐵路為期5 個多月的路基監(jiān)測中，K192+548 處監(jiān)測點基本穩(wěn)定，但在前期三個月中沉降變化較大，超過了工后沉降15 mm 的要求，其他監(jiān)測點未發(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 觀測墩埋設有水準標，采用LeicaDNA03 精密電子水準儀進行精密水準測量(測量精度0.3 mm/km)，可以作為BDS 外符合定位精度的參考標準。 選取2019 年10 月1 日和2019 年11 月7 日兩次的水準數(shù)據與BDS 進行對比分析(見圖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)測精度要求。

圖9 BDS 外符合定位精度分析

4 結論

提出并開發(fā)一種針對嚴寒地區(qū)的鐵路運營期路基BDS 遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、耐低溫、測量精度高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定等優(yōu)點，實現(xiàn)了路基變形的近實時監(jiān)測。 針對現(xiàn)場監(jiān)測特點，提出了BDS 高精度實時定位算法，通過實際監(jiān)測數(shù)據驗證該算法的有效性與精確性，外符合精度可達到0.2 ～2.3 mm。系統(tǒng)能夠在嚴寒惡劣環(huán)境下正常穩(wěn)定工作。 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據分析表明，哈佳快速鐵路個別監(jiān)測點路基存在明顯沉降情況，大部分監(jiān)測點處于穩(wěn)定狀態(tài)。 由此可見，該系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測路基變形情況，為數(shù)據分析、路基修復加固提供技術支持。