單側(cè)形式軌道控制網(wǎng)測量及其數(shù)據(jù)處理分析

郭剛

摘? 要：隨著我國大量高鐵的建設(shè)和運(yùn)營，以及已經(jīng)投入運(yùn)營的原有鐵路，有必要開發(fā)和維護(hù)越來越多的軌道。當(dāng)使用配備有專業(yè)且高精度測量設(shè)備的大型道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械來保持線路狀態(tài)時(shí)，有必要使用軌道控制網(wǎng)絡(luò)（CPⅢ）作為定位參考。本文系統(tǒng)地研究了一種建立單面CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)的新方法，并對(duì)單面CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算實(shí)驗(yàn)。可以認(rèn)為，CPⅢ平面網(wǎng)和CPⅢ三角高程網(wǎng)的精度可以滿足高鐵的相關(guān)精度要求。最后，通過三維自由站測量實(shí)驗(yàn)和精確統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了在V形天窗中建立CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)的可行性。

關(guān)鍵詞：軌道控制網(wǎng)? 測量? 數(shù)據(jù)處理? 高程網(wǎng)

中圖分類號(hào)：U212.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（b）-0121-03

Survey and Data Processing Analysis of Unilateral Track Control Network

GUO Gang

（Chengdu Rail Transit Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610036 China）

Abstract： With the construction and operation of a large number of high-speed railways in China， as well as the original railways that have been put into operation， it is necessary to develop and maintain more and more tracks. When large road maintenance machinery equipped with professional and high-precision measuring equipment is used to maintain the line status， it is necessary to use the track control network （CPⅢ） as the positioning reference. In this paper， a new method of establishing one-sided CPⅢ control network is systematically studied， and the accuracy of measurement data of one-sided CPⅢ control network is statistically analyzed and calculated. It can be considered that the accuracy of CPⅢ plane network and CPⅢ triangular elevation network can meet the relevant accuracy requirements of high-speed railway. Finally， the feasibility of establishing CPⅢ control network in V-shaped skylight is verified by 3D free station measurement experiment and accurate statistical analysis.

Key Words： Track control network; Survey; Data processing; Elevation network

目前，我國的高速鐵路（CPⅢ）控制網(wǎng)絡(luò)是將CPⅢ點(diǎn)成對(duì)地沿線方向埋在線的兩邊，然后用智能全站儀進(jìn)行自由站角交會(huì)測量。在線的兩側(cè)分別測量了6對(duì)（總共12個(gè)）CPⅢ控制點(diǎn)[1]。但是，由于某些線路的檢修天窗是V形天窗，因此在檢修期間不允許進(jìn)行跨線操作，并且只能在一條線上執(zhí)行操作。傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)方法不能使用。當(dāng)V形天窗工作時(shí)，全站儀只能安裝在一條直線的中心線附近，以測量放置在該直線同一側(cè)CPⅢ控制點(diǎn)處的棱鏡[2]。因此，本文提出了一種單側(cè)建立跟蹤控制網(wǎng)絡(luò)（CPⅢ）的新方法，并對(duì)新網(wǎng)格的CPⅢ平面的網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以驗(yàn)證CPⅢ平面網(wǎng)絡(luò)的精度是否可以滿足要求。同時(shí)對(duì)新網(wǎng)進(jìn)行CPⅢ三角高程網(wǎng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，以檢查CPⅢ三角高程網(wǎng)的精度是否能滿足高軌速度的精度要求;最后，進(jìn)行免費(fèi)站點(diǎn)測量實(shí)驗(yàn)及其精度統(tǒng)計(jì)分析，以驗(yàn)證是否可行。

1? 單側(cè)形式軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）的構(gòu)網(wǎng)及測量方法

1.1 單側(cè)形式CPⅢ平面控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計(jì)

受禁止在V形天窗上進(jìn)行交叉線操作的影響，CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)只能觀察線路一側(cè)的CPⅢ控制點(diǎn)，并建立一側(cè)的CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)。單面CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)平面測量也采用自由站轉(zhuǎn)角相交測量方法。智能全站儀靠近一條線的中線設(shè)置，最接近的6個(gè)在同一側(cè)（前3個(gè)，后3個(gè)）CPⅢ觀察控制點(diǎn)，相鄰自由站之間的距離通常約為120m，并且觀察到最遠(yuǎn)的控制點(diǎn)CPⅢ的距離應(yīng)不超過180m[3]。兩個(gè)相鄰的自由測量站在4個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)處進(jìn)行重疊測量，兩個(gè)隔開的自由測量站在兩個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)處進(jìn)行重疊測量，以確保每個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)至少進(jìn)行3次自由測量。如圖1所示，是單站CPIII控制網(wǎng)絡(luò)的平面測量網(wǎng)絡(luò)的示意圖，站點(diǎn)之間的距離為120m。對(duì)于單面CPⅢ控制網(wǎng)絡(luò)平面測量，應(yīng)每大約600m共同測量同一側(cè)在線的加密點(diǎn)CPⅢ。在已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合測量時(shí)，請(qǐng)確保至少有兩個(gè)自由站觀測到每個(gè)已知點(diǎn)，并且從自由站到已知點(diǎn)的觀測距離不應(yīng)超過300m。

1.2 單側(cè)形式CPⅢ三角高程控制網(wǎng)網(wǎng)形設(shè)計(jì)

在進(jìn)行單側(cè)形式CPⅢ三角高程測量時(shí)，每個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)都有3個(gè)自由測站的斜距和豎直角觀測值，且每隔2對(duì)CPⅢ控制點(diǎn)布置一個(gè)自由測站點(diǎn)。因此，相鄰CPⅢ控制點(diǎn)之間的間接高差有兩個(gè)或3個(gè)的情況，即為同名高差。由于同名高差是由不同測站計(jì)算得到，其精度不一樣。因此，在進(jìn)行同名高差合并計(jì)算時(shí)，應(yīng)該采用加權(quán)平均法[4]。以相鄰4個(gè)CPⅢ控制點(diǎn)構(gòu)成高差閉合環(huán)的方法，構(gòu)建單側(cè)形式CPⅢ三角高程網(wǎng)。CPⅢ三角高程網(wǎng)應(yīng)附合于線上加密水準(zhǔn)點(diǎn)，每2km左右與加密水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行高程聯(lián)測。

2? 單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理及其精度分析

筆者在某條高速鐵路上選取了一段2km多的線路進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)。在這段實(shí)驗(yàn)線路上，首先按照常規(guī)點(diǎn)對(duì)形式對(duì)CPⅢ控制網(wǎng)進(jìn)行觀測，然后按照本文所述單側(cè)形式對(duì)CPⅢ控制網(wǎng)的左線和右線分別進(jìn)行觀測，接著對(duì)兩種網(wǎng)形數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平差處理，并對(duì)單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)和CPⅢ三角高程網(wǎng)平差后精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最后對(duì)兩種網(wǎng)形的CPⅢ平面網(wǎng)平差結(jié)果和CPⅢ三角高程網(wǎng)平差結(jié)果分別進(jìn)行比較分析。本段實(shí)驗(yàn)線路上，選取了5個(gè)CPⅡ控制點(diǎn)作為兩種網(wǎng)形CPⅢ平面網(wǎng)的起算數(shù)據(jù);點(diǎn)對(duì)形式CPⅢ三角高程網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)有3對(duì)（共6個(gè)）CPⅢ控制點(diǎn)，分別位于線路里程的起始和中間處，而單側(cè)形式CPⅢ三角高程網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)則選取了點(diǎn)對(duì)中位于同側(cè)的CPⅢ控制點(diǎn)。

2.1 自由網(wǎng)平差后精度統(tǒng)計(jì)分析

左線的單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)自由網(wǎng)平差后，其方向改正數(shù)最大值為-1.03″，小于規(guī)范要求的限差±3″;其距離改正數(shù)最大值為1.27mm，小于規(guī)范的限差要求±2mm。右線的單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)自由網(wǎng)平差后，其方向改正數(shù)最大值為-2.01″，小于規(guī)范要求的限差±3″;其距離改正數(shù)最大值為1.33mm，小于規(guī)范的限差要求±2mm。說明單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)的左線數(shù)據(jù)和右線數(shù)據(jù)自由網(wǎng)平差后的精度滿足高鐵規(guī)范的相關(guān)精度要求。

2.2 約束網(wǎng)平差后精度統(tǒng)計(jì)分析

左線的單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)約束網(wǎng)平差后，其點(diǎn)位中誤差為0.75mm，小于規(guī)范規(guī)定的限差要求2.00mm;其相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差為0.54mm，小于限差1.00mm;其驗(yàn)后單位權(quán)中誤差為0.45″，小于限差1.80″。右線的單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)約束網(wǎng)平差后，其點(diǎn)位中誤差為1.14mm，小于規(guī)范規(guī)定的限差要求2.00mm;其相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差為0.72mm，小于限差1.00mm;其驗(yàn)后單位權(quán)中誤差為0.70″，小于限差1.80″。說明單側(cè)形式CPⅢ平面網(wǎng)的左線數(shù)據(jù)和右線數(shù)據(jù)約束網(wǎng)平差后，其點(diǎn)位中誤差、相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差和驗(yàn)后單位權(quán)中誤差這三項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足高鐵規(guī)范的精度要求。

3? 單側(cè)形式CPⅢ三角高程網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理及其精度分析

首先，對(duì)自由站三角高程野外測量數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。當(dāng)左行數(shù)據(jù)和右行數(shù)據(jù)滿足技術(shù)要求時(shí)，將左行和右行數(shù)據(jù)分別附加到該行上。高度差和閉合誤差?；芈犯叨炔铋]合誤差統(tǒng)計(jì)表明，連接路徑高度差閉合誤差和環(huán)的高度差閉合誤差的CPⅢ三角高程網(wǎng)的單側(cè)形狀滿足二級(jí)等級(jí)的相應(yīng)公差要求[5]。單側(cè)CPⅢ高程網(wǎng)的精度分析主要是分析左右CPⅢ三角高程網(wǎng)調(diào)整后的高差校正數(shù)，高度誤差和高低差的精度統(tǒng)計(jì)。分別對(duì)相鄰點(diǎn)的三角形高程網(wǎng)絡(luò)CPⅢ的單點(diǎn)高程結(jié)果進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)分析，并將其與同名點(diǎn)對(duì)的三角高程網(wǎng)CPⅢ的高程結(jié)果進(jìn)行比較和分析。

3.1 平差后精度統(tǒng)計(jì)分析

三角CPⅢ高程網(wǎng)的一側(cè)平差后，CPⅢ在左右線上的控制點(diǎn)上的高程誤差小于高速列車規(guī)范要求的2.0mm限差。其中，左側(cè)的控制點(diǎn)CPⅢ的仰角的最大誤差為0.37mm，右側(cè)的控制點(diǎn)CPⅢ的仰角的最大誤差為0.56mm。結(jié)果表明，單側(cè)三角CPⅢ網(wǎng)平差后，仰角誤差不僅滿足CPⅢ高速列車吊網(wǎng)的限差要求，而且仰角誤差值較小，精度較高。

對(duì)三角形CP的高程網(wǎng)進(jìn)行單邊平差后，左線相鄰點(diǎn)之間的高度差最大誤差為0.32mm，右線相鄰點(diǎn)之間的高度差最大誤差為0.32mm、0.50mm，不大于0.50mm限差的高鐵規(guī)格要求。結(jié)果表明，調(diào)整單側(cè)三角形CP三角高程網(wǎng)絡(luò)后，相鄰點(diǎn)高程差的誤差精度滿足了高鐵CPⅢ高程網(wǎng)絡(luò)的限差要求。

3.2 與點(diǎn)對(duì)形式CPⅢ三角高程網(wǎng)高程成果比較分析

如圖2所示，新的CP高程網(wǎng)測試與高速車道規(guī)格上的原始測試結(jié)果之間的誤差為3mm，表明CPⅢ單邊三角高程網(wǎng)可用于生產(chǎn)項(xiàng)目。

3.3 單側(cè)形式軌道控制網(wǎng)三維自由設(shè)站測量實(shí)驗(yàn)及其精度分析

在本實(shí)驗(yàn)路線的這一部分中，將CP單邊平面網(wǎng)絡(luò)和CP三角高程單邊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果用于進(jìn)行全站儀三維自由站測量實(shí)驗(yàn)，以及自由站三維精度[6]。對(duì)站組態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。與CP形式控制網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)3維自由站測量點(diǎn)對(duì)形式不同，當(dāng)單面CP控制網(wǎng)絡(luò)測量3維自由站時(shí)，全站儀配置為靠近左線的中心線（或右線），并且站附近。設(shè)置并測量最后6個(gè)CP控制點(diǎn)（前后3個(gè)）。

在實(shí)驗(yàn)路線的此部分中，進(jìn)行了11個(gè)三維自由站測量實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算了這11個(gè)三維自由站的精度。

在這11個(gè)三維自由站測量實(shí)驗(yàn)中，X軸方向上最弱的精度為0.99mm，小于0.7mm的公差要求;Y軸方向的最差精度為0.68mm，小于公差要求0.7mm。Z軸方向的最差精度為0.57mm，小于0.7mm的公差要求。未知方位角的最差精度為0.96″，小于2″的公差要求。結(jié)果表明，采用CP平面平面網(wǎng)的單側(cè)形狀和CP三角高程網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的單側(cè)形狀進(jìn)行全站儀的三維自由站測量，其精度較高。站點(diǎn)的調(diào)整可以滿足高速鐵路規(guī)范的精度要求。

4? 結(jié)語

通過對(duì)單側(cè)控制網(wǎng)（CPⅢ）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和測量方法的研究，以及單側(cè)控制網(wǎng)（CPⅢ）的測量數(shù)據(jù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)和精度統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為CPⅢ單側(cè)控制網(wǎng)（CPⅢ）是平面網(wǎng)和CPⅢ三角高程網(wǎng)絡(luò)的精度可以滿足高速鐵路的精度要求。最后，利用單側(cè)平面網(wǎng)絡(luò)CPⅢ的結(jié)果和三角CPⅢ的單邊高程網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，進(jìn)行了全站儀三維自由設(shè)站的計(jì)算實(shí)驗(yàn)和精度統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了它們的3個(gè)自由站的三維精度也可以滿足高鐵精度的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王歡. 鐵路軌道控制網(wǎng)（CPⅢ）測量及其數(shù)據(jù)處理新技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[2] 姜雄基. 鐵路軌道控制測量方法應(yīng)用比較分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2017.

[3] 許雙安.拉林鐵路巴玉隧道施工控制測量及精度分析[J].高速鐵路技術(shù)，2020，11（5）：57-62.

[4] 金國清.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)在鐵路控制測量中的應(yīng)用研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（2）：14-18.

[5] 王思鍇，李冠，馬全明，等.電離層誤差對(duì)城市軌道交通GPS控制網(wǎng)測量精度的影響分析[J].測繪通報(bào)，2017（1）：102-105.

[6] 潘正風(fēng).高速鐵路軌道平面控制網(wǎng)（CPⅢ）測量原理的探討[J].測繪通報(bào)，2016（8）：44-46.