基于實例的高速鐵路測量控制網構建技術研究

摘 要:本文基于筆者多年從事鐵路控制測量的相關工作經驗，以筆者參與的某高速鐵路控制測量為研究對象，探討了高速鐵路測量控制網技術，論文首先分析了測量工程的概況，進而給出了測量平面控制網的實例，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:測量平面控制測量實例基線解算

中圖分類號:TB22文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0008-02

我國高速鐵路起步較晚，1994年，我國才建成了第一條準高速鐵路——廣州至深圳，并投入了運營，列車速度為160～200km動。這是我國通過試驗、消化吸收并引進國外核心技術，在高速鐵路建設中的一次質的飛躍，為建設我國高速鐵路做好了前期準備工作，是我國高速鐵路化的起點。

2003年，我國第一條秦皇島至沈陽快速客運專線建成并投入了運營。秦沈客運專線全長404.641km/h，設計速度為200 km/h，基礎設施預留提速至250km/h(甚至更高)的條件。秦沈線對構成中國東部地區高速鐵路客運網具有重要的戰略意義，同時，秦沈客運專線的運營和實踐，有效的解決了我國進出關交通運輸能力不足的問題，也是在探索適合中國國情的高速客運專線技術標準、施工方法和運營管理等一系列問題上也是一種突破，是中國進入高速鐵路時代的歷程碑未來幾年，我國將進一步加強和實施高速鐵路建設，尤其是在速度和安全方面使用各種新技術和新裝備，建立起省會城市及中大城市間的快速運輸通道。預計在2020年，我國將建成“四縱四橫”鐵路快速通道以及四個城際快速客運系統，建設客運專線12000km以上，構成我國高速鐵路的基本框架，解決我國現行主要干線鐵路運輸量大和運力不足的問題。

1 高速鐵路精密控制測量技術

1.1 高速鐵路測量技術要求

高速鐵路軌道分為有砟軌道和無砟軌道。無砟軌道是以鋼筋混凝土或者瀝青混凝土道床取代了有砟軌道的散粒體道砟床的整體軌式結構。與有砟軌道相比無砟軌道具有良好的結構穩定性、連續性和平順性，良好的結構的耐久性和少維修性等特點，但無砟軌道對基礎要求比較高，一旦基礎變形下沉，修復比較困難，因此在測量精度方面要求比較高。為了適應高速鐵路高速行車的平順性和舒適性的要求，高速鐵路軌道必須具有較高的鋪設精度，甚至精度要保持到毫米級范圍內。同時，對于無砟軌道而言，軌道施工之后除了依靠扣減進行微量調整外基本不具備調整的可能性，這就要求為防止測量誤差的積累，提高測量精度的高速鐵路軌道控制網測量必須具備更嚴格的控制網標準。

1.2 我國高速鐵路控制網布設方案

依據誤差分析理論和仿真試驗，借鑒德鐵的技術標準，并考慮我國的技術力，我國高速鐵路軌道測量平面控制網是建立在ITRF2000或者ITRF2005S框架下選用北京54或者西安80參考橢球體，通過地區的具體情況，選擇抵償帶坐標系統任意中央子午線系統、任意中央子午線的較窄寬度帶橫軸墨卡托或者斜軸墨卡托投影到平面上其一般共分為四級:第一級為結合第二級的基礎平面控制網(CPⅠ)，主要為測、施工、運營維護提供坐標基準;第三級為線路控制網(CPⅡ)，主要為勘測和施工提供控制基準;第四級為基樁控制網(CPⅢ)，為軌道鋪設和運營維護供控制基準。

(1)基準網和CPⅠ是采用B級GPS靜態測量布設的，其中基準網點間間距一般50～100km左右設置一站。CPⅠ則是在聯測基準網點的基礎上，CPⅠ則是的基礎上，一般按3～4km布設一個單點，困難地段點間間距不得小于10m，同時應在特長隧道進出口和特大橋附近應增設CPⅠ控制點。CPI網的鄰點應盡可能通視，每個控制點至少保證有1個相鄰的通視方向，或者增方向輔助點，以達到“三網合一”的目的;控制點的點位以便于加密布設CPⅠ導線和施工、運營檢測需要為原則沿線路布設。為了與國家坐標或地方坐系建立關系，CPⅠ控制網至少應該聯測3個國家或城市控制點。以便確定相互的轉換關系。

(2)CPⅡ可同時使用全站儀建立附合導線和C級GPS靜態測量兩種形式布設。點間距或者導線間的距離一般為500～1000m，困難地段不短于600m。沿路走向布設網點，網點應選在離線路中線50～100m，觀測條件比較好的方。

(3)CPⅢ應在聯測CPⅡ的基礎上，平面采用沿線路兩側布設五等導線測量的法進行施測，高程控制是在聯測一等水準或者國家二級以上水準點的基礎上，布設三等水準。其控制點一般采用在墻體側面嵌入螺栓或者橋梁點防護墻上方埋點的方式，其中嵌入墻體側面的點位和高程位置均為軌道標記螺栓前緣的上側。

1.3 高速鐵路控制測量中需要注意的若干問題

高速鐵路精密工程控制網布設方案;GPS控制網優化設計;各級控制網數據采集方法和預處理;基線解算及其質量控制;GPS網三維無約束平差，質量控制，內符合精度的評定;起算數據檢查和計算基準的選擇;GPS網三維約束平差，質量控制，外符合精度評定;二等水準精度評定和GPS水準方法研究。

2 勘測設計階段控制測量工程概況

為滿足某段高速鐵路客運專線無砟軌道施工、運營以及后期復測和維護需要，保證高速鐵路運營的高平順性，按照分級布網、逐級控制的原則，在該段鐵路客運專線全線建立高精度的平面和高程控制網。下面主要針對嚴格按照技術規范獲取的某高速鐵路控制測量數據進行處理分析，研究高速鐵路精密控制網測量的方法和技術。

2.1 己有測量成果

該段勘測設計工作開始，既有工程控制測量數據資料情況如下:

(1)國家A、B級GPS點7個，間隔為50km左右，各點基本與既有一等水準路線公用，但其坐標框架不統一，GS43、GTIO、GS51、HDOI是ITRF93參考框架下的，其余三個為0016、0017和1169都是工TRF97參考框架下的;(2)國家三角點9個，其中國家工等三角點兩個:9014和9055;國家11等三角點七個，分別為:9012、9013、9056、9023、9003、9004和9021。(3)測技中心布設GPS點2個，分別為:JSGPS125，JSGPS126。

2.2 施工坐標系選擇

在觀測過程中，聯測上述點，進行基準網的測設。由于觀測條件限制，HD01采用了偏心觀測，經過兼容性分析，參考框架JTRF93:GS43、GT10、GS51、HD01四點與參考框架JTRF97:0016、0017、1169三點兼容性較差，最終處理方案為:全線約束國家GPS點四個，分別為:WGS-84橢球、參考框架ITRF97:0016、0017、1169和參考框架ITRF93:HD01。并且對HD01進行了框架改化。

2.3 己有測量成果的評價和利用

本線在勘測設計階段己經充分考慮了投影變形的影響，因此本次精密控制測量的坐標系統可以利用原勘測階段的坐標系統參數。但是由于采用框架不同，原來定測采用的是97框架，所以原有設計資料可能會修改。既有工程控制網坐標系統設計參照依據為《高速鐵路測量暫行規定》相關要求，在精度等級、分布密度、規格和埋深都與無碴軌道施工控制網要求存在較大差距，不能滿足無碴軌道鋪設技術要求，需在全段建立滿足無碴軌道鋪設要求的精密工程控制網。本段聯測的國家三角點兼容性差。因此應重新建立B級GPS框架網—— 基準網，以便作為后續精測網的起算約束點。但是要與原有約束點進行聯測，以確保新建精測網資料與既有勘測設計資料保持一致。

3 高速鐵路測量平面控制網處理實例分析

3.1 基準網基線解算

(1)基準網網中的GPS基線向量采用精密星歷和精密基線解算軟件Gamit進行平差計算，其解算的精密基線的同步環閉合差嚴格為0。

(2)GPS的基線解算質量主要通過重復邊和異步環閉合差檢核。

(3)基準網嚴格按照技術要求進行觀測，在內業數據處理時，分三種方式進行基線向量解算。

1)24小時作為一個時段，整體計算;2)將24小時分成兩個時段，每個時段16個小時，中間重復4小時;3)24小時分成四個時段，每個時段6小時。

經過對比分析，三種方法計算結果差值均小于10mm，最終成果采用將24小時分成兩個時段的計算結果。由于兩種約束網平差坐標成果之間存在較大差異。點位空間三維坐標分量差值最大達到9mm，基線長度差值最大達到5mm。這一差異主要由雙方選用坐標位置基準和約束平差方法的不同而產生的。為了保證該段精密工程控制測量的CPO控制網坐標基準的統一，采用精測網評估驗收專家組建議該段鐵路客運專線工程CPO控制網坐標采用評估驗收專家組計算的CPO約束網平差計算的坐標成果統一平差。

3.2 CPⅠ和 CPⅡ基線解算

該段高速鐵路CPⅠ和CPⅡ均是采用GPS靜態差分技術，按照相關規范布設的。限于精度要求，它們一般選用Leica或者trimble雙頻GPS接收機來采集數據。數據采集完成后，經預處理沒有任何問題后，將所有原始觀測文件(trimble數據需轉化為rinex數據)輸入商用軟件LGO，再對點號、天線量高方式、天線高復核后進行基線解算基線解算前，考慮以最佳的方式構網。數據采集過程一般采用四臺GPS在各自的測站上，同時觀測相應的時間，便完成一個時段測量;然后，以邊連的方式，其中兩臺不搬站，另外兩臺儀器翻滾推進或者四臺儀器分兩組共同推進，準備進行下一個測段。其中翻滾推進方式的兩個處于不搬站的儀器應改變儀器高。

其中A、B、C、D為同步觀測的四臺接收機。CPⅠ和CPⅡ在LGO軟件的構網方式一般采用由三條同時段采集的基線和另一時段公用邊基線構成異步環，各異步閉合環采用邊連式連接，逐環構網。在聯測基準網時，有可能采用三臺儀器觀測，此時也應用邊連式連接其它異步環。CPⅠ和CPⅡ構網的唯一不同點只是CPⅠ觀測了兩個時段，要進行兩次異步環的連接。

WGS-84坐標系下基線解算設置一般采用軟件系統推薦的系統缺省值，均解算出整周未知數，同時存儲基線結果，并將異步環數據導出為.asc格式ASCⅡ碼基線文件。然后把.asc格式文件導入軟件依次進行閉合環差計算，無約束平差、建立相應的坐標系，輸入已知點坐標進行約束平差(圖1)。

3.3 CPI和CPⅡ精度分析

l)CPⅠ和CPⅡ重復獨立基線和異步閉合環誤差統計該段高速鐵路數據處理過程中，CPI共取獨立基線178條，獨立重復基線共38條，其中較差最大的為5mm，為22mm，為7mm，為8mm;重復基線均小于限差。

2)不同等級GPS網部分同、異步閉合環限差分析

對CPⅠ、CPⅡ和D級分別建立同、異步閉合環，在軟件tgppsw中進行最小獨立閉合環的解算。然后從各級控制網中所有同、異步環中任意選取構網相同的對應閉合環，進行同、異步環閉合差分量及閉合差統計分析。計算閉合環精度可以得出，

CPⅠ同步環與異步環閉合精度和閉合差相當，而CPⅡ和D級網主體上異步環大于同步環閉合精度和閉合差，也就是說當同步環滿足限差的時候，異步環不一定能滿足，建立異步環閉合環在精度控制方面優于同步環閉合環。這種優勢在所構建閉合環CPⅡl99－CPⅠO51－CPⅡZOO－CPⅡl98－CPⅡl99中體現得比較明顯。建議在CPI數據處理時，同時構建同、異步環進行對網閉合差的檢核，以保證原始數據的可靠性。而對于CPⅡ和D級網，在數據處理過程中，可只構建異步環對閉合環的檢核。

3.4 平差計算精度分析

(1)無約束平差及精度分析:

復測基線及異步環滿足要求后，繼續在測量軟件tgppsw中進行無約束網平差計算。對觀測值標準差、后驗中誤差、殘差和點位精度進行統計分析。剔除粗差和明顯的系統誤差，同時考察網的內符合精度，從網平差報告和上述分析看，CPI無約束平差基線向量改正數最大為3.6mm，為10.6mm，業為14.9mm，點位標準差基本在2.2～8.8mm范圍內波動，大地坐標經緯度RMS主要分布在0～4.5mm，高程RMS主要分布在0～10mm，平面精度控制在0～6mm以內，高程精度控制在0～11mm以內;而CPH無約束平差基線向量改正數最大為19.7mm，為13.1mm，為7.6mm，點位標準差基本在2.5～10mm范圍內波動，大地坐標經緯度RMS主要分布在0～4.9mm內，高程RMS主要分布在0～10mm平面精度控制在0～6mm以內，高程精度控制在0～13mm以內。其上指標均嚴格符合限差要求，說明基線向量網內符合精度很高，基線向量網的質量十分可靠。

(2)約束平差

CPI起算點選用基準網控制點的成果，采用任意帶高斯正形投影抵償坐標系在軟件上整體平差，點位中誤差最大為3.1mm，最大為2.9mm，均小于±10mm的限差，滿足規范要求。基線邊方向中誤差最大為0.63″，小于1.3″的限差，滿足規范要求。相鄰點相對點位中誤差最大為3.60mm，小于(8+D*lppm)的限差。最弱邊相對中誤差最大為均嚴格小于1/170000的限差，滿足規范要求。

CPⅡ起算點選用CPI控制點的成果，同樣分別用兩種任意帶高斯正形投影抵償帶在WGS-84坐標系應用軟件上整體平差，點位中誤差最大為2.9mm，最大為2.6mm，均小于±15mm的限差，滿足規范要求。基線邊方向中誤差最大為1.05±，小于1.7±的限差，滿足規范要求。相鄰點相對點位中誤差最大為4.50mm，小于14m的限差。其相對中誤差數量級均為10-7，滿足規范要求。

參考文獻

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