基于CORS站解算布設鐵路工程CPI控制網應用分析

鄭超

摘要 衛星導航定位技術的發展與應用改變了傳統的測量技術手段，基于CORS站的控制測量方案與鐵路工程測量“三網合一”理念相適應，具有高精度、低成本、操作簡單的優勢。文章通過具體項目應用，采用兩級平差的解算思路，分析了基于CORS站布設CPI控制網方案的優勢，旨在為鐵路工程CPI控制網布設解算工作提供借鑒。

關鍵詞 CORS；控制測量；兩級平差；CPI

中圖分類號 P228.4文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0016-03

0 引言

20世紀90年代，美國建成了GPS衛星導航定位系統，并免費向所有用戶開放，人類第一次實現了獲取自己空間位置信息的能力。但是由于美國政府的政策控制和自然環境因素的影響，一般情況下，只采用GPS進行定位，精度很低。為了突破美國的政策障礙，實現快速高精度定位，出現了衛星定位的地面固定基準站，這是CORS產生的原因，也是CORS發展的最初目的。

CORS（Continuous Operational Reference System）簡稱連續運行參考站系統。主要由數據處理中心、GNSS基準站和用戶端三部分構成。系統基于各種先進的網絡技術和通信技術，將各GNSS基準站以及數據處理中心進行連接，數據處理中心通過對各個基準站上的觀測數據進行計算處理和播發，用戶通過GNSS接收機獲得差分信息，從而實現精準定位[1]。

黑龍江省衛星定位連續運行基準站網（HLJCORS）于2016年6月正式上線試運行，是在國家現代測繪基準體系建設框架上按照統一規劃和標準建設。系統依托覆蓋全省范圍的122個基準站，實現衛星信號的捕獲、跟蹤、采集與傳輸，通過無線數據通信網絡實時自動發布衛星定位觀測數據，全天候為用戶提供精確的大地坐標，可以實現基于HLJCORS觀測的毫米級的事后數據解算服務[2]。

1 測區概況及控制網的布設

大慶高新技術產業開發區鐵路專用線新建工程項目，位于安達市和大慶市之間，地處黑龍江省西南部松嫩平原腹地。地貌類型屬松花江、嫩江沖積一級階地。沿線地勢平坦開闊，由東北向西南逐漸低下，地面坡度1/600～1/300。項目在濱洲鐵路安達站接軌，經由安達市區向西，下穿改建的濱洲雙線特大橋和哈齊客專，跨越哈大高速和G10國道后進入產業園區，線路全長25.87 km。

2014年項目啟動設計工作，CPI控制網布設遵照《鐵路工程測量規范》（TB 10101—2009）中三等精度指標掌握，設計沿線布設16個平面控制點，采用西安80平面坐標系統，同比滿足《全球定位系統GPS測量規范》（GB/T 18314—2009）中GPS控制測量D級精度。

2019年項目進入施工階段，進行控制點復測后明確有5個點位丟失，隨即展開了控制點補設工作。在補設點位選取過程中，充分考慮了帶狀控制網的短基線和中長基線混合的實際情況，本著進一步優化網形的第一原則，盡力降低基線邊長比提高平差精度的目的，最終補設5個永久新點位和2個臨時點位。補設控制點后CPI網形如圖1所示。

2 平面控制網施測

該次外業觀測使用6臺徠卡GS15雙頻接收機同步觀測記錄，合計觀測5個同步時段，同步觀測有效時長總和超過450 min。對比傳統靜態觀測方式，至少減少了1個同步觀測時段和3個已知點位觀測操作，外業綜合投入減少約20%[3]。該次外業18個點位觀測指標按照表1執行（見表1）。

3 數據解算及精度

數據處理前，采用TEQC軟件對靜態觀測數據（RINEX文件）進行質量分析，檢查數據可利用率及多路徑效應（MP1/MP2）的影響程度，數據可利用率均大于85%，多路徑影響均小于0.5 m，滿足解算精度要求。同時，收集到觀測區域周邊的HLJCORS連續運行基準站5座，分別是大慶站（DQLF）、大同站（DQDT）、林甸站（DQLD）、安民站（SHAM）和青岡站（SHQG），所有基準站的西安80坐標均已知，其中大慶站和安民站擬用于檢核坐標解算精度。

進行數據融合計算時，選用的5座基準站與布設的16處控制點之間有十幾千米甚至幾十千米的距離，如果直接將CORS站點與所有點位進行統一平差，受基線邊長比的影響，勢必會降低約束平差后成果精度和可靠度。為此，經過研究分析，決定先選取5個合理點位進行框架平面控制網CP0解算，網形結構如圖2所示。

基線解算完成后，將基線解算成果導入CosaGPS軟件中，進行同步環閉合差和異步環閉合差檢核。經檢核，同步環閉合差和異步環閉合差均合格，未超限。利用大同站、林甸站和青岡站的已知西安80坐標作為起算數據，進行三維無約束平差和三維約束平差，求出CP0各控制點的空間直角坐標、大地坐標及高斯投影后的平面坐標。求出各5個點位在西安80坐標系下的坐標中誤差如表2所示。

此時最弱邊為GPS2—X1，其相對精度為1/2 766 000，滿足規范中限差1/100 000要求[4]。比較大慶站和安民站兩點的平差值與真實值差值水平分量均小于8 mm，解算的5個點位的西安80坐標精度可達D級精度要求。

而后，將CP0解算結果引入CPI網推導的基線中進行約束平差計算。保留X2和GPS2坐標用于檢核結果精度。平差后最弱邊NQ1—NQ2，相對精度為1/267 234，同樣滿足規范中限差1/100 000要求。比較X2和GPS2兩點的平差值與真實值差值水平分量均小于18 mm，解算的15個點位的西安80坐標精度可達D級精度要求。

為了直觀展示兩次計算結果的差異，對11個原始點位的前后兩次計算坐標值進行對比，如表3所示。

從表3可以看出，所有點位較差平面最大分量不超過20 mm，精度良好。較差值ΔX分布呈離散狀態，而ΔY反映出CPI分級解算值較比CPI初始值呈整體向西偏移狀態，分析產生這一現象原因，是先后兩套起算點系統差導致，并不會影響整體控制精度[5]。

時隔四年之久的兩次平差成果的高度一致性使得基于CORS站的靜態解算方式可靠性得到有力驗證。

4 項目實踐經驗

基于HLJCORS基準站網兩級平差解算方案，高效完成了鐵路工程CPI控制網的GNSS靜態解算工作，項目實踐經驗總結如下：

（1）基于CORS站解算布設鐵路工程CPI控制網方案切實可行。雖然采用分級平差解算過程比一步平差要煩瑣，消耗更多內業時間，但是其優勢在于可以省去起算地點找尋、復測工作，顯著減少外業設備、時間投入，又便于結合測區周邊CORS基準站分布位置，優化網形設計，有利于提高整體解算精度，真正實現降本增效的目的，為工期保障提供穩固的基礎。

（2）基于CORS站的GNSS解算方案，理論上可以實現單基站高精度解算，這一優勢是傳統測繪手段所不能比擬的。這種作業手段，徹底推翻傳統GNSS觀測方式中“同步觀測”的硬性要求，擺脫傳統GNSS測量方式外業中“快等慢，長等短”的尷尬局面。得益于CORS網基準站點已知的豐富投影轉換參數，可以通過同一組觀測數據，計算出不同投影面下的高精度平面坐標結果，對于處理一些采用北京54坐標系、西安80坐標系的遺留項目平面控制問題提供了便捷方案。

（3）CORS站可以為區域測繪工作提供一個統一的測繪基準，可以實現省內乃至國內項目控制系統高度統一。這意味著，當不同工程項目需要協同作業或交叉作業時，基于一個相同的標準，項目之間的數據可以更好地進行融合和集成，避免了坐標轉換造成的直接精度損失，極大減少內、外業工作投入，為工程項目的順利實施提供有力保障。

（4）由于受到保密條款等多重實際因素的限制，該次研究未能執行基于HLJCORS的CPI網一次性解算操作。兩套起算點也是同名點結果對比中的變量，雖然這種系統差不會對整個控制網的精度和可靠性產生影響，但會對兩次結果的一致性造成一定破壞。因此，該次對比同名點較差值分量不大于20 mm，這一結果可能存在一定的偶然性[6]。

5 結束語

隨著科技的發展，CORS系統有望逐步取代常規測量控制網地位，切實實現“少造標”到“零造標”的轉變。除此以外，CORS系統有望實現與數字廣播技術結合，實現通信鏈路的豐富與補充，會在智能交通、消防救援、搶險救災等多領域得到更多應用，隨著更廣泛的行業和群體享受到CORS系統帶來的便利，數據安全問題也應當得到更強烈的重視。

參考文獻

[1]張鵬飛， 李旺民， 李秀龍. CORS在區域GNSS控制測量中的應用分析[J]. 測繪與空間地理信息， 2023（5）： 90-92.

[2]林飛. 基于CORS的城市軌道交通GPS網的布設及精度分析[J]. 城市勘測， 2017（3）： 83-85+89.

[3]全球定位系統（GPS）測量規范： GB/T 18314—2009

[S]. 北京：中國標準出版社， 2009.

[4]鐵路工程測量規范： TB 10101—2018[S]．北京：中國鐵道出版社， 2019.

[5]緱曉陽. 基于CORS的靜態長基線觀測的精度分析與應用[J]. 礦山測量， 2017（3）： 72-76.

[6]嚴冬， 李劍鋒， 梅熙， 等. 鐵路工程長距離帶狀GNSS控制網高精度解算[J/OL]. 鐵道標準設計， 1-8[2024-03-05].