高鐵工程測量誤差的產生原因及對策

張啟業 陳德虎

摘 要：目前高速鐵路在我國越來越受到國家的重視，一條又一條的高鐵線路正在修建，如此罕見的規模給我國的測量工作人員帶來了難得的機遇。本文首先簡單介紹了高鐵測量工作的系統與流程，引出誤差產生的原因，最后對于不同的誤差產生方式討論出了不同的減弱誤差措施。

關鍵詞：高鐵測量；誤差；誤差減弱；GPS測量；CPⅢ控制網

近年來，隨著我國科技經濟的快速發展，高速鐵路得到了大規模的建設發展。如此罕見的規模給我國的測量工作人員帶來了難得的機遇，但隨之而來的是高速鐵路建設測量如何進行的巨大挑戰，傳統的測量技術已不能完全的適用于高速鐵路的測量。通過引進國外先進技術，我國鐵道部在2009年出版了最新的“高速鐵路工程測量規范（TBl06012009）”，高速鐵路工程測量平面系統統一采用工程獨立坐標系統，并且規定高斯投影邊長變形值在對應的軌道設計高程面上必須小于等于10mm/km。在過去，由于鐵路運行速度低，對軌道平順要求低，勘測、施工過程中并沒有建立一套相適應的完整的控制測量系統。而目前，高速鐵路的測量系統采用的是精密測量系統，它包含了平面控制和高程控制兩個部分，而平面測量控制網又分為3級：CPI、CPⅡ、CPⅢ，統一采用國家坐標系統，這將更加規范化和系統化。各級平面控制網的特點及作用是：

1）CPI主要為勘測、施工、運營維護提供坐標基準，通常采用GPS測量；

2）CPⅡ在高速鐵路的定測階段完成主要為勘測和線下工程施工提供控制基準，嚴格按照C級GPS網的規范要求測量；

3）CPⅢ在無砟軌道鋪設階段布設完成，主要為軌道鋪設和運營維護提供控制基礎，主要為精調測量的全站儀后方交會提供已知點，采用后方交會全站儀自由設站的形式進行測量。

通過以上三點我們可以知道，造成高速鐵路工程測量誤差的原因一個來自于GPS的測量誤差，另外一個來源于CPⅢ控制測量的誤差。

1 測量誤差的產生原因

1.1 GPS測量誤差

對于前兩個階段的高鐵工程測量，均是采用GPS測量方式進行測量，而GPS測量誤差的來源總的可以分為三類：

1）與控制段有關的誤差，是指在衛星傳播過程中導航電文的參數值的誤差。這包括了衛星時鐘誤差和星歷誤差；

2）與衛星信號傳播有關的誤差，是指GPS信號受到衛星和接收機之間的傳播介質的影響所產生的誤差。這些誤差源包括信號折射，波的傳播和色散介質，以及電離層延遲和對流層延遲；

3）與接收機有關的誤差，這包含了接收機噪聲引起的誤差和多徑效應。

1.2 CPⅢ控制測量誤差

高速鐵路工程測量過程中CPⅢ控制網測量采用的是后方交會全站儀自由設站的形式測量。在測量過程中誤差主要來源于：

1）全站儀測量軌道各點的誤差；

2）兩相鄰測站在平面位置和高程產生的相對誤差；

3）由觀測值誤差產生的自由設站點位誤差，這主要是由方向觀測誤差引起。

2 測量誤差的減弱措施

2.1 GPS測量誤差的減弱措施

衛星時鐘的誤差在一個觀測時段內屬于系統誤差，它包含鐘差、頻偏、頻飄等產生的誤差，也包含鐘的隨機誤差。對于衛星時鐘的誤差一般可采取鐘差改正法和差分技術來進行消除。而對于星歷誤差，可采用相位觀測量求差的方法來消除，從而獲取高精度的相對坐標。而對于長距離、高精度的測量可以采取精密星歷來進行削弱。此外，對于整體的星歷誤差還能通過建立衛星跟蹤網獨立測軌、軌道改進法、同步求差法達到消除的目的。

與衛星傳播有關的誤差，由于電離層是距地面50m～1000m的一個氣態電離區域，衛星信號在傳播過程中，電離層的折射可使得碼相位測量變長，載波相位變短。要消除這方面的影響，可以通過傾斜因子系數加以解決，也可選擇比較有利的觀察時間段，在觀測站采用同步觀測量求差來消除。對流層對信號傳播的影響不像電離層折射那樣與信號頻率沒有關系，它造成的誤差影響取決于信號路徑中空氣的折射率，這便于空氣密度有關。因此要減弱這方面的影響可采取對流層模型或者相應的映射函數加以解決。

與接收站有關的誤差，可采用差分法，或者在求解的時候將接收機的鐘差作為獨立未知數。如若有必要高精度定位，則可采用外接頻標，提供高精度的時間標準給接收站。而對于觀測引起的誤差，在精密定位中注意整平天線，仔細對中便可消除。

2.2 CPⅢ控制測量誤差的減弱措施

對于一個測站上全站儀測量所產生的誤差，不能完全消除只能減弱，一個測站上所測量的軌道各點在豎直方向的不平順性與觀測高度高度角度有關，在水平方向的不平順性與觀測水平方向有關，則正矢誤差與誤差角度以及測量距離有密切關系，要減弱正矢誤差，就需要嚴格控制觀測角度和觀測距離的誤差，盡量縮小觀測距離。

高速鐵路工程測量是一項要求比較嚴格，精密度極高的測量工程，為了減小誤差，在測量過程中測量程序必須符合“規范”里的高標準要求，要保證軌道的平順性和列車的行駛的安全，就要嚴格控制全站儀后方交會設點站的精度，對全站儀的設站點精度進行全面細致的分析。根據我國現行規范《客運專線無砟軌道鐵路工程測量暫行規定》，CPⅡ控制點間距為800m～l000m，當CPⅢ控制網觀測方向中誤差為±2”，邊長中誤差為±2mm，最弱點點位中誤差為±4mm，兩相鄰測站點相對點位中誤差小于或等于1.5m，這完全可以滿足10mm/150m/300 長波平順性的要求。相鄰CP II控制點的相對點位中誤差約為10mm，因此CPⅢ控制網聯測CPⅡ控制點的間隔不能過短，也就是說CPⅡ控制點間距宜為600m～1200m，相鄰的CPⅡ控制點相對點位誤差控制在10mm。

參考文獻

[1]孟維軍.鐵路客運專線CPⅢ控制網測設[J]，中國新技術新產2010（8）.

[2]丁廣龍，徐順明，陳雪豐.軌道交通建設中跨河水準測量誤差分析與對策[J]，鐵道勘察，2011，37（3）.

[3]GB50308--2008城市軌道交通工程測量規范[s].

[4]付仁俊.無砟軌道控制網網形和精度設計[J].20015.

[5]梁昭陽.高速鐵路精調測量誤差分析研究[J].桂林理工大學，2014

（作者單位：溫州市勘察測繪研究院）