武瑞宏,許雙安,王建紅,許超鈐,劉 晨
(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043; 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043; 3.武漢大學測繪學院,武漢 430079)
某復雜艱險山區(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)個一級邊界斷裂,是新構(gòu)造運動最為活躍的區(qū)域之一,具有地殼急劇抬升、板塊強烈擠壓、強震頻發(fā)的復雜地質(zhì)環(huán)境[7-9]。這樣惡劣多變的外部環(huán)境,導致鐵路精密測量控制網(wǎng)的空間基準處于持續(xù)動態(tài)變化中,而傳統(tǒng)的定期復測無法及時感知控制點的動態(tài)變化。鐵路建設工期長,沿線平面、高程控制基準不穩(wěn)定,將嚴重影響工程建設的順利實施。因此,如何在復雜艱險山區(qū)鐵路的全生命周期(勘察設計、施工建造及運營維護)內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的時空基準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)運行參考站)服務平臺[10-12]是解決上述問題的可靠手段。CORS綜合服務平臺是現(xiàn)代測繪基準體系的關(guān)鍵組成部分[13],該平臺利用穩(wěn)定運行的CORS基準站,將GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))觀測數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)處理中心,而后解算軟件實時求解,并向用戶播發(fā)改正數(shù)和位置信息,提供便捷的NRTK服務。CORS平臺可動態(tài)獲悉基準站發(fā)生的位移,實現(xiàn)基準的自我校準,其NRTK(Network Real-time Kinematic,網(wǎng)絡實時動態(tài)測量)服務也可顯著簡化定位作業(yè)的難度。由此可見,CORS平臺契合復雜艱險山區(qū)鐵路工程測量的需要。
為了實現(xiàn)該復雜艱險山區(qū)鐵路高精度動態(tài)基準維持的需要,中鐵一院依托中國鐵建股份有限公司科技重大專項課題,在復雜艱險山區(qū)鐵路部署完成了基于7座連續(xù)運行基準站的北斗高精度服務平臺[14](以下簡稱“北斗平臺”)。該平臺是國內(nèi)首個落成于高海拔、大高差環(huán)境下的北斗NRTK服務系統(tǒng),可動態(tài)維護框架基準,從根本上解決了空間框架的時變問題。
如圖1所示,北斗平臺的作業(yè)模式如下。首先,CORS基站數(shù)據(jù)實時傳輸至解算處理中心,進行實時數(shù)據(jù)處理并生成虛擬改正數(shù);然后,服務管理中心根據(jù)用戶的概略坐標分配并播發(fā)相應的改正數(shù);最后,用戶接收改正數(shù)后,即可進行快速準確的導航定位作業(yè)??梢?,CORS基準站,解算處理中心和服務管理中心是北斗平臺的核心組成部分,本文將從上述三方面介紹北斗平臺的建設情況。
圖1 北斗平臺架構(gòu)
該復雜艱險山區(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)動力作用下,造成了建站區(qū)復雜的地質(zhì)條件,呈現(xiàn)出“三高兩強”的特點,即:高烈度地震、高地應力、高地溫及強烈發(fā)育多樣化地質(zhì)災害、強烈發(fā)育活動斷裂[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,河流快速強烈下切,谷底與山嶺相對高差一般在2~3 km,為典型的“V”形高山峽谷地貌,這給北斗基準站的選址造成了一定困難。
CORS基準站是北斗平臺的基礎設施[16],需要確保一次建設,長期使用。另外,基準站位置應規(guī)避活動的斷裂帶,最大程度上減小活動斷層的影響;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,兼顧長大隧道、特大及特殊橋梁及重點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用需求。按照上述原則,確定了7個基準站的初步位置(圖2)。另需注意的是:圖2所示的基準代號僅為示意,并非真實代號。在選址完成后,站點上進行了多品牌各型號的GNSS設備測試,確保衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、可用性等指標滿足建站要求。
圖2 基準站位置示意
測試完成后,7個基準站同步開工建設,并于2020年7月建設完成(圖3)。7個基準站采用市電+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)定運行。由于受沿線通信基礎設施建設現(xiàn)狀制約,7個站點未能實現(xiàn)網(wǎng)絡SDH專線接入,網(wǎng)絡通訊暫時采用普通寬帶在公用網(wǎng)絡上建立虛擬專用網(wǎng)絡,利用VPN+ADSL接入方式,后期隨著通信基礎設施建設和鐵路建設推進,可升級為有線通信光纜或鐵路專用綜合信息通信網(wǎng)。
圖3 北斗基準站
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,實時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,本軟件還預留有二次開發(fā)接口,可與其他解算平臺無縫對接,滿足變形監(jiān)測、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、坐標分析、平差等各種高級需求。另外,本系統(tǒng)還支持遠程遙控,管理人員可以遠程檢查臺站系統(tǒng),確保維持高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務。此外,本軟件支持單北斗解算模式,該模式在B1、B2的基礎上,還增加了對B3[17-19]的處理功能,實現(xiàn)了真正意義上的北斗三星多頻解算。
圖4 解算平臺主控界面
值得注意的是,由于受氣候和地形的影響,低空對流層狀態(tài)變化頻繁,為了削弱對流層的影響,本平臺采用了針對該區(qū)域構(gòu)建的高精度對流層延遲模型[20]。該模型是由氣象站數(shù)據(jù)、ECMWF天氣數(shù)值預報產(chǎn)品、無線電探空資料以及NRTK提取的GNSS對流層延遲共同構(gòu)建的。該模型的實現(xiàn)方式如下。
采用最小二乘法估計用戶的大氣誤差改正數(shù),利用赫爾默特估計方法、二次無偏估計法等多種定權(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)計算觀測值方差矩陣Di和協(xié)方差矩陣Dij。
(1)
權(quán)陣為
(2)
因為GNSS基準站數(shù)據(jù)質(zhì)量最高,以其估計的大氣誤差為基準,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,同時可進行精度評定,并將其用于NRTK大氣誤差改正和精確位置計算。
服務管理中心(服務中心)是連接解算中心和用戶的樞紐,通過向用戶端播發(fā)由解算服務器輸出的虛擬改正數(shù),提供用戶端的高精度定位與導航服務。除了基礎功能外,服務中心還支持系統(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,服務中心同樣支持二次開發(fā),后期可根據(jù)復雜艱險山區(qū)鐵路運行維護的各種需求進行個性化升級。
圖5 服務平臺管理界面
本項目采集了7個基準站2020年10月11日的北斗和GPS觀測數(shù)據(jù),采用TEQC軟件[21-22]進行了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。評價指標為:數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(MP1和MP2)、周跳比和信噪比(SN1和SN2)。部分測站上述指標的測試結(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)運行基準站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》[23]對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求,數(shù)據(jù)完整率應>85%,MP1<0.5 m,MP2<0.65 m,SN1>4.5 dB,SN2>5.5 dB。另需說明的是,周跳比指標沒有明確的規(guī)定,根據(jù)實際情況,本項目規(guī)定該指標應大于1 000。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可得,所有測試站點的參評數(shù)據(jù)(北斗和GPS)均滿足要求。
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)模式進行了NRTK定位性能測試。另需說明的是,本項目的所有坐標成果均在2000國家大地坐標系[24]下,其中,平面成果是以96°E為中央子午線進行高斯投影后的平面直角坐標,高程是相應的大地高。
為了測試北斗平臺NRTK的定位精度,本項目選取55個鐵路控制點,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,進行定位精度測試。每個測試點采用上述兩種作業(yè)模式分別采集3組結(jié)果,利用這3組結(jié)果統(tǒng)計內(nèi)符合精度,利用3組點位中誤差的平均值作為最終定位結(jié)果統(tǒng)計外符合精度。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 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 mm
根據(jù)《衛(wèi)星導航定位基準站網(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,同樣遠超規(guī)范要求。綜上,北斗平臺的NRTK定位性能優(yōu)異,各項指標均滿足規(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。
經(jīng)過建設和部署,復雜艱險山區(qū)鐵路北斗高精度服務平臺已建設完成并投入試運行。北斗平臺架構(gòu)合理,功能豐富,并且本研究還對北斗平臺進行了數(shù)據(jù)質(zhì)量測試和實地NRTK性能評估,取得如下成果。
(1)所有測站的參評數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求,足見各基準站設備可在高原區(qū)復雜、惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行。
(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)絡信號不佳的測點,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,初始化的時間約10 s。
綜上,北斗平臺運行穩(wěn)定,精度可靠,滿足鐵路高精度導航定位的需求。北斗平臺將在今后長期連續(xù)運行,逐步取代常規(guī)的大地測量控制網(wǎng),全天候地進行各種類型的北斗/GNSS定位、變形監(jiān)測和放樣作業(yè)。未來,CORS站將擴大規(guī)模,解算和運維中心也將面對復雜艱險山區(qū)鐵路的實際需要繼續(xù)進行個性化升級。另外,基于北斗平臺提供的精確動態(tài)時空基準,可開展如形變監(jiān)測和大氣監(jiān)測等業(yè)務,進一步深化平臺的應用范圍。