1北斗定位技术随着卫星高精度定位技术的发展和各类通信设备的更新，高速铁路设施变形的非接触和实时监测难题迎来新的化解点。我国自主独立研发运行的北斗卫星导航系统（BDS）能够为全球用户提供动态全天候的定位、导航及授时服务，现阶段北斗二号系统服务范围已覆盖亚太地区。基于此，北斗高定位技术在不同领域都得到了广泛应用，在高速铁路沉降变形监测作业中，北斗高精度定位技术受现场环境干扰较小，可连续动态追踪监测点的沉降位移变化。2北斗变形监测系统北斗定位技术通过北斗卫星实现定位，利用北斗卫星接收和发送信息，精确测算已知位置与地面接收机的距离，同时通过多个卫星确定监测点位置信息，获得精确的空间坐标。相较于传统定位技术，北斗高精度定位技术的基本原理为选择一台静止的北斗设备，将其作为基准点，同时在测试点位置布置北斗接收机，将其作为监测点，应用载波相位信息和载波相位差分技术，消除来自卫星、接收机及电离层信号延迟等因素的误差，控制各个监测点检测数据的精度，实现毫米级的高精度测量。北斗变形监测系统由4大部分构成，具体包括北斗接收机和天线、数据传输模块、太阳能供电系统以及数据处理中心。北斗变形监测系统作业流程为北斗接收机负责获取一手观测数据，数据传输模块通过4G和宽带卫星等方式，将收集的原始观测数据传输到云服务器，由云服务器数据处理中心负责数据处理，最后获得监测点准确空间坐标信息。3高速铁路沉降变形监测试验3.1工程概况某高速铁路为国铁Ⅰ级、客货共线、双线电气化有砟轨道线路，设计速度250 km/h，列车初期运营速度200 km/h。高速铁路工程投入运行使用后发现，局部路段存在沉降，不均匀沉降病害总长为5.3 km，集中出现在两处跨江桥梁段及中间区间路段位置。在该高速公路沉降变形监测中应用水准测量技术，截至2017年12月，两处跨江桥梁段最大沉降量约160 mm，中间的区间路基周边地表最大沉降量约为60 mm，沿线构筑物最大沉降量约为120 mm。3.2北斗定位的精度验证试验影响高速铁路沉降变形监测作业的因素较多，其场干扰因素是主要影响因素之一，如接触网27.5 kV高压线的存在会降低北斗定位精度，导致测量误差的出现。为了消除现场干扰因素对北斗高精度定位作业的影响，选择在中间的区间路基段沿线、周边场地视野开阔、土质坚硬及受人为因素影响较小的位置布置测试点，并在布设过程中应保持测试点与基准点相距350 m。根据北斗高精度定位技术在高速铁路线下工程中的监测经验，可在北斗接收机底部位置增设高程可调节的支座，便于对比北斗测试点位移情况与高速铁路工程中路基实际的位移。3.3变形监测试验方案为了保证垂直位移的精度，降低基线长度对北斗定位技术的影响，需要编制科学完善的变形监测试验方案，将基线长度控制在5 km范围内。在全面考察该高速铁路工程、线路结构和分析铁路的前期监测数据的基础上，拟在中间区段沿线路纵向布设8个监测点，各监测点布置间距500~1 000 m，两处跨桥梁段共布置6个监测点，监测点位为BDS1、BDS2、BDS3、BDS4、BDS7、BDS8，中间区间路基段布设2个监测点，点位为BDS5、BDS6。安装北斗变形监测系统过程中，不可影响高速铁路线路正常进行运维作业，保证北斗变形监测系统的安装质量，避免列车运行过程中摇晃和碰撞北斗变形监测系统。根据出现不均匀沉降病害的位置布置北斗变形监测系统，在两处跨江桥梁段布设北斗接收机和数据采集仪时，应保证作业的安全性，选择在桥梁护栏处布置监测设备，同时用膨胀螺丝将接收机、采集仪及太阳能供电系统等设施紧固在桥梁挡砟墙外侧。在中间的区间路基段按照北斗变形监测系统时，应在路基两级边坡平台位置布设北斗接收机和数据采集仪，将太阳能供电系统布设在路基斜坡边墙外侧，增设防护罩，避免太阳能供电系统损坏[1]。主要的北斗变形监测系统的数据传输方式有两种，即4G和宽带卫星（LoRa）。两种数据传输方式应用的环境有所区别，4G数据传输应用于有通信信号覆盖的区域，LoRa主要应用于其他无通信信号覆盖的区域，保证北斗测量数据能够在任何环境下进行传输。4试验数据分析4.1北斗定位精度试验数据分析严格根据北斗变形监测系统试验方案落实布置试验点，对试验点进行连续测量，测量结果如表1所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.12.034.T001表1北斗定位精度试验结果序号时间/d天气北斗监测竖直位移/mm支座调整位移/mm误差/mm11中雨2.430.623台风2.053.034大雨4.672.445阴8.7101.3北斗定位精度试验结果显示，受到天气变化的影响，北斗设备测量的竖直位移与实际调整位移差绝对差值变动范围为0.6~3 mm。在台风天气的影响下，测量误差较大，分别达到了3.0 mm和2.4 mm，总体与北斗定位技术标定竖直位移精度（±3 mm）吻合。由此可知，在贯彻落实高速铁路长期沉降变形监测中，应关注台风天气，控制台风天气产生的测量误差，识别处理异常值[2]。4.2沉降变形监测试验数据分析考虑监测过程中受到的气候因素的影响，北斗变形监测系统多次面对台风及强降雨等灾害天气，沉降变形监测试验开展时间共60 d，北斗变形监测系统运行情况较为稳定，数据无明显异常。收集8个监测点监测数据，并取5~6组互差5 mm的测量值，计算平均值，将平均值设计为初始值，绘制8个监测点的沉降变化曲线。由沉降变化曲线可知，在实施监测过程中，8个监测点沉降变形幅度较小，沉降量变动速度较为缓慢，累计沉降量较小。对比分析8个监测点的沉降变化曲线可知，基线长度不同，沉降变化波动幅度也不同，基线长度越长，沉降变化波动幅度越大。在8个沉降变形监测点中，跨江桥梁段处监测点BSD1的基线长度中最长，对应的沉降变化的波动幅度最大；路基段监测点BDS5基线最短，对应的沉降变化的幅度最小，变化范围为-0.6~2.3 mm。按照监测点与基准点间的距离，计算测量误差：δ=∑i=1nΔin-1 （1）式中：n——观测值个数；Δi——第i个观测值误差。根据计算公式，明确观测值，测算不同基线长度下的测量误差，分别确定8个监测点在北斗变形监测系统中的测量误差，并进行拟合。绘制测量中，误差与基线长度的拟合直线如图1所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.12.034.F001图1测量中误差与基线长度的拟合直线由图1可知，基线长度会影响北斗变形监测系统的测量误差，两者的关系为正比例增长，相关系数为0.9。按照铁总运〔2015〕60号《高速铁路路基修理规则》等文件的明确规定，应严格控制高速铁路变形测量误差，保证沉降变形监测作业的精确性和科学性。因此应控制基线长度，不得超出3 km（若精度要求较高基线长度应保持在1 km以内），严格按照有砟轨道路基工后沉降控制标准实施作业，保证北斗变形监测精度。有砟轨道路基工后沉降控制标准详情如表2所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.12.034.T002表2路基工后沉降控制标准序号设计行车速度/（km/h）一般地段工后沉降/mm桥台台尾过渡段工后沉降/mm每年沉降/mm1200≤150≤80≤402250≤100≤50≤303300、350≤50≤30≤205结语综上所述，在高速铁路沉降变形监测工作中，接触网高压线对北斗变形监测系统的影响可忽略不计，应重点关注台风等特殊天气对电离层的影响，区别处理测量异常值。基线长度会直接影响北斗变形监测系统的测量误差，两者关系为正相关，相关系数为0.9，应严格控制基线长度，保证监测作业符合相关技术要求。