GPS测量技术在铁路施工中的应用

GPS测量技术在铁路施工中的应用
摘要：从测量技术发展历程来看，合理运用GPS技术进行铁路施工测量，不
仅打破地形和传统测绘仪器的限制，还将极大提高测量工作效率。

关键词：GPS定位；铁路长大隧道；测量技术
前言
随着GPS技术的发展，高精度GPS定位技术已被广泛地应用于铁路、公路、
轨道交通平面控制等领域，从而有效地提高了整个测量环节的生产效率。

一、 GPS测量定位技术
随着科学技术的飞速发展，GPS的普及和使用范围也在不断扩大，究其原因，就在于GPS可以为各行各业的人提供精确的三维坐标、速度和时间信息等。

1.1 GPS测量定位特点
GPS技术相对于常规的测量方法来说，有很多优点，第一，静态定位精度高，在100公里到500公里的范围内，GPS的精度可以达到10-7D-10-8D，(D为基线长度)；第二，操作简单，动态观测可随时随地操作；第三，不需要花费大量的观
测时间；第四，可以全天候工作；第五，测站与测站之间不需要通视；第六，可
以提供三维空间的坐标。

1.2 GPS数据处理
GPS接收器的工作原理主要是记录和追踪卫星的卫星信号，载波相位的数值等，使用求差的方法，从而得出各个观测站之间的基线向量也就是坐标差。

GPS
数据处理的流程比较繁琐，包括GPS数据预处理、基线矢量网平差、GPS测量数
据基线矢量解算等。

1.3 GPS控制网布设
选点布网是GPS测量中的一个关键环节，它的点位选择与施工质量密切相关。

在选择埋设地点时，应注意以下五个方面：第一，选择一个交通便利的地点，与
隧道口加密点至少要有两个以上的通视方向，并从源头上进行，这是为了便于隧
道开挖掘进控制点的加密和联测；第二，在点位埋设时，要注意岩体的稳定性，
并注意洞口加密点与控制点之间的长度至少为300m；第三，为了降低影响，一定
要避免靠近电磁辐射源，避免出现大范围的反射面；第四，为了方便 GPS接收器
的安装和接收，必须保证选择的地点视野足够开阔，并且地面高度角15°范围内
不应有成片的障碍物，点位不易被破坏；第五，洞外控制点要保证在3个以上，
尽量保证距离一致，仰角不要过大，这样可以减小数据偏差。

二、GPS定位技术的设计方案
2.1 GPS技术方面的设计
对于GPS在洞外的测量应用，为了提高观测精度，必须保证卫星的高度角大
于15°，且对于卫星的几何形状，必须保证 PDOP小于6，而对于观测的时间，
每个时段45分钟至2小时或更长，应观测两个时段，第一时段结束后应检查仪
器对中整平。

特别要注意的是，要尽量选择卫星的最佳几何强度值时段，并根据
具体条件增加卫星的截断角度，以保证在地理上不利的控制点间有足够的公共卫
星支持。

GPS控制网的图形设计在测量中是十分重要的工作，尽量采用网连方式
或边连方式，实现对多边形的同步观测，这样既能减少人力成本，又能保证精度。

另外，在隧道入口处增加三个平面控制点，并严格按照特定的技术和要求进行测量，其目的是帮助检验复核控制点。

2.2 GPS 测量观测技术的要求
GPS测量的技术要求如下：一是在 GPS测量前，必须严格检查接收设备、附件、固定位置和使用手册，防止损坏、松动、不完整等。

对于天线基座的圆度仪
和光学对中器，必须严格按照有关的规范和标准，在进行试验前进行校准。

当然，对气象仪器的检测工作也不能忽略；二是充分掌握信号灯、显示系统的工作状态，在对设备的使用状态进行检查时，必须严格遵守操作规程，严格审核；三是，天
线整平误差要控制在1mm以内，并在两时段观测前后间隔间测量一次天线高度，
要确保两个相差不超过3mm，并以平均值作为最后的结果；四是要按有关规定将
观测资料记录在案，例如：观测点名称、仪器型号、时间、人员、日期等。

三、GPS技术在铁路施工测量中的具体应用
本文选取国内某条铁路线路为例，这条线路包含了许多复杂的地形，有平原，有铁路枢纽，有丘陵，有山地，地理条件严苛。

所以，在这条铁路上进行的试验，就是一个很好的例子，有很好的代表性。

在准备阶段，本路段采用GPS静态测量进行规范的观测，基线间隔500m至1000m。

在某些复杂、难度较大的地方，基线间距不均匀，但也会在规范要求范
围内进行，每个控制点平均间距都在500m以上。

GPS采用四边形和三角形构成的GPS控制网，在GPS的有效观测下，一个时段连续观测60分钟，共观测两个时段。

该试验采用Trimble4700型号 GPS，共四个，采用TG01.6 V的软件。

该软
件主要利用已知基准高程点和已有水平变换模型来求解新的测区水平变换模式。

在此试验中，采用了EGM96的水平变换模式，并以该模式为基准，得到了新的水
平变换模式。

在试验中，采用常规方法对所有的控制点进行四等水准的测量，并
将 GPS大地高转化为标准高的转换模式，分别采用3公里、5公里和10公里的
交界处，得到了不同于一般水准高程的结果。

然后对拟合高程和水准高程进行了
计算，并进行具体的数据分析。

在此基础上，比较拟合高程与水准高程间的数据，并利用相应的计算公式进行求解。

通过对实测数据的统计与对比分析，发现在山
岭地貌中，GPS测点的高差拟合结果如下：在3公里处，对已有水平模式进行校正，得到 1.2 mm，未修正已有水平模式，则为 6.2 mm。

在山丘地形拟合高程时，对已有水平模式进行了修正，得到1.4 mm，未对现有水平模式进行校正，则为
8.9 mm，在10公里处，对水平模式进行了修正，得到了1.7mm的拟合高差，而
未对现有水平模式进行校正的结果为10.7 mm。

由以上试验及实际数据可知，若在求解水平转换模式时，若已知基准点密度
较大，则水平转换模式的精确度越高，则越能提高高程拟合的精确度。

通过对已
有水平转换模型的重合点进行校正，其准确性要高于未修正的水平转换模型。

在
平原及较平缓的丘陵环境中，利用标准高程和大地高重合点进行高程拟合，其拟
合精度可以达到四等水准，而在山区的复杂环境中，采用标准高程和大地高重合
点进行高程拟合，其拟合精度与等外水准测量的准确度相当。

得出结论：在平原，我们通过进行了大量的试验和实测数据分析，采用一个标准高程和大地高重叠点
进行高程拟合，其拟合精度可以达到四等水准，在山区进行一次高程拟合，其拟
合精度可与等外水准测量的精度相媲美。

结论
本文结合某铁路GPS定位技术的实际应用，对整个施工过程进行了详细的分析，发现GPS测量定位技术具有很多优点，比如：更灵活，更方便，当然不管是
距离、天气、通视情况，都不会对GPS进行限制。

因此，在山区、丘陵地区等复
杂地形铁路施工测量中，应用GPS定位技术可以减少测量工作量，合理运用 GPS
定位技术，可以在不受环境因素影响的情况下，进一步提高测量质量，充分体现
它的优越性。

对于铁路长大隧道，铁路线路所处的地形条件比较复杂的情况，可
以采用GPS技术进行控制网的测量，在长距离隧道平面控制网的测量中，如果采
用传统的三角法、导线法等方法，会受到地形、地势等多种因素的影响，反而加
大了对控制网的选点、布设、观测等方面的限制，给测量工作带来更大的困难。

利用GPS定位技术，既不受通视环境的制约，又可利用该技术的多种优点，缩短
作业周期，提高定位精度，有利于实现长距离隧道的精确控制。

参考文献
[1] 刘斌 . 高精度陀螺全站仪在长大铁路隧道平面控制网分段建网测量中
的应用 [J]. 铁道勘察，2020（03）：17-21.
[2] 彭鹏 . 铁路隧道及铁道客车车辆虚拟试验教学系统研究——《铁路隧
道测量技术及应用》[J]. 机械设计，2020（06）：149.。