結合智能全站儀的高速鐵路CPⅢ自動學習方法

陳澤遠

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

高速鐵路CPⅢ平面控制網是軌道控制網，為軌道鋪設和運營維護提供基準數據[1]。高速鐵路無砟軌道鋪設對CPⅢ平面控制網的精度要求非常高，為確保測量精度，CPⅢ控制網通常采用全圓方向觀測法按自由測站方式進行觀測，每個CPⅢ測站需觀測前后各3對共12個控制點。然而高速鐵路沿線的CPⅢ控制點非常密集，通常每1千米就有30多個控制點，使用測量機器人進行水平方向觀測時應首先通過人工瞄準方式對12個CPⅢ目標控制點進行學習，記錄每個CPⅢ目標控制點的角度值和距離值，通過人工方式尋找CPⅢ目標控制點進行學習時需耗費大量的時間。

按照CPⅢ布網和測量原理，每兩個測站之間有8個CPⅢ目標點為公共點；而按照平面坐標轉換原理，通過2個公共CPⅢ點可以建立兩個測站之間的平面轉換關系。因此，尋找一種有效的計算方法，建立兩個測站之間的關系，實現僅通過人工學習2個公共CPⅢ點計算出其余6個公共點的角度和距離值，能夠減少大量的人工勞動，提高測量效率。本文通過平面坐標轉換[2]、三角高程測量方式實現高速鐵路CPⅢ平面控制網測量中公共目標點的自動學習。

1 CPⅢ平面控制網

CPⅢ平面控制網是沿鐵路軌道布設的為軌道鋪設和運營維護提供基準數據的控制網，附合于高等級的CPⅠ、CPⅡ控制點上，一般在線下工程施工完成，并通過沉降變形評估之后布設和實施。CPⅢ平面控制網如圖1所示，圖中CPⅢ點對稱分布于線路兩側，沿線每隔50～60 m布設一對控制點，點對之間的距離約為10～20 m，通常采用自由測站邊角交會法實施[3-4]，圖中實心點為自由測站，兩個測站的距離為120 m，空心點為CPⅢ點，每個測站觀測前后各3對控制點的水平角度和水平距離。

2 公共目標點角度的計算原理

2.1 公共目標點水平角的計算

CPⅢ平面控制網的測量通常是沿線路方向由小里程向大里程逐步推進觀測，兩相鄰測站的公共CPⅢ點如圖2所示，假設當前測站編號為B，前一測站的編號為A，測站A觀測編號1～12的CPⅢ點后遷站于B，測站B觀測編號5～16的CPⅢ點，兩個測站共有4對(8個)公共目標點，編號為5～12。

圖1 CPⅢ平面控制網

圖2 兩相鄰測站的公共CPⅢ點

由于兩個測站存在8個公共點，可以為兩個測站分別建立獨立測站坐標系，然后通過平面坐標轉換建立兩個獨立測站坐標系的聯系，將測站A測量的8個公共CPⅢ點坐標轉換到測站B的獨立坐標系中。因此，測站B在進行CPⅢ點學習時，可以只學習任意2個公共CPⅢ點，然后通過平面坐標轉換建立測站A和B的轉換關系，其余6個公共點可通過坐標轉換計算出B坐標系的坐標，從而反算出水平角度。

測站A測量完成后，以A點為原點(XA=0，YA=0)，假定該坐標系中各個CPⅢ點的觀測水平角與A點到各個點的方位角相等來確定X軸，Y軸與X軸垂直，建立測站獨立坐標系，記為A坐標系，根據方位角和水平距離按照下式[5]計算

(1)

式中，DAi為測站A到CPⅢ點的水平距離；αAi為測站A到CPⅢ點的方位角。可以計算出各個CPⅢ點的獨立坐標，圖3給出了A坐標系的一個示意圖。

測站B在進行CPⅢ點的學習時，可以從5～12號點中任意選擇2個進行觀測，假設在B站觀測了7、8兩個CPⅢ點，那么就可以將B點作為坐標原點(XB=0，YB=0)，7和8兩個CPⅢ點的觀測水平角與方位角相等來確定X軸，Y軸與X軸垂直，建立B測站的獨立坐標系，記為B坐標系，公式如下

(2)

式中，DBi為測站B到CPⅢ點的水平距離；αBi為測站B到CPⅢ點的方位角。可計算出7、8兩個點在B坐標系中的坐標，圖4 給出了A坐標系和B坐標系的關系。

圖3 A坐標系

圖4 A坐標系和B坐標系的關系

(3)

多次迭代可計算出A、B坐標系的轉換參數，包括2個坐標平移參數和1個旋轉參數。

最后通過3個轉換參數按照式(3)可計算出其余6個公共CPⅢ點在B坐標系中的坐標，按照坐標反算公式

(4)

計算出B點到其余6個公共CPⅢ點的水平角度值。

2.2 公共目標點垂直角的計算

相鄰兩測站公共CPⅢ點的垂直角可以使用全站儀三角高程測量的原理計算，按照上節所述，在測站A中，按照式(5)可計算出8個公共CPⅢ點的高程。

Hi=HA+DAi·tanβAi+tB-vi

(5)

式中，βAi為測站A到CPⅢ點的垂直角度；tA為測站A的儀器高；vi為目標點的棱鏡高。

在測站B中，要計算測站B至其余6個公共CPⅢ點的垂直角，但此時測站B的高程未知，因此首先應該計算B點的高程，按照三角高程測量原理[7]，測站B的高程為

HB=Hi-DBi·tanβBi-tB+vi

(6)

將測站B至7號點的水平距離、垂直角度和7號高程代入式(6)中，可得測站B的高程值。變換式(6)得

βBi=arctan((Hi-HB-tB+vi)/DBi)

(7)

將B點高程HB和其余6個公共CPⅢ點的高程Hi分別代入式(7)中即可求得測站至各點的垂直角度值。

3 自動學習的CPⅢ數據采集軟件開發

3.1 智能全站儀開發方式

本文基于TS30智能全站儀平臺設計并開發了CPⅢ數據采集軟件[8-11]，該儀器的標稱測角精度為0.5″，帶ATR自動照準功能，被廣泛應用于高速鐵路CPⅡ和CPⅢ平面控制網的測量中，其測距精度可達到0.6 mm+1×10-6D。

該儀器提供了GeoCOM接口開發方式，它是基于遠程過程調用(RPC)協議而建立的點對點通信協議。GeoCOM采用請求-響應模式，客戶端向儀器發出請求后只有等到返回結果才能進行下一次操作。GeoCOM有3種開發方式[12-13]：ASCII協議方式、C/C++函數方式、VBA函數方式。本文采用ASCII協議方式進行二次開發，ASCII協議方式的語法格式為

ASCII協議請求語法：[]%R1Q,[,]:[][,,…]

式中，：可選項，初始化行前導，用以清除接收緩存中的數據；%R1Q：GeoCOM請求類型1；：RPC標識碼，范圍0～65 535；：可選項，事務的ID；[][,,…]：可選項，請求參數；：命令行結束符，通常為回車換行，可在儀器中設置。

ASCII協議響應語法：%R1P,[,]:[,,,…]

式中，%R1P：GeoCOM響應類型1；：GeoCOM返回碼，返回0表示通信執行成功；：可選項，事務的ID；：RPC的返回結果，0表示操作執行成功；[][,,…]：可選項，請求參數；：命令行結束符，通常為回車換行，可在儀器中設置。

ASCII協議方式具有以下優點：

(1) 平臺、語言獨立性強，完全不依賴于某種特定語言，使用當前主流語言如Java、C/C++、C#等均能進行開發。

(2) 每個命令和返回結果都是由簡單的ASCII碼組成的，易于理解，請求行和響應行傳輸速度快。

(3) 語法簡單，使用方便。

3.2 CPⅢ點自動學習編程實現

相鄰測站公共CPⅢ點自動學習是本文要解決的主要問題，采用C#語言，使用Visual Studio 2008開發了基于Windows Mobile 6.0操作系統的CPⅢ數據采集軟件[14-16]，軟件實現了項目管理、CPⅢ點學習、CPⅢ點精密測量等功能。圖5為公共CPⅢ點自動學習的部分源代碼。

4 工程應用

本文使用編寫的CPⅢ數據采集軟件在西成客專進行了數據采集，實測32測站，共383個CPⅢ控制點，公共點CPⅢ控制點248個，其中有186個點通過自動學習方式計算。為驗證本文所述方法的精度，在測量中記錄了軟件計算的學習角度和使用ATR精確照準后的測量角度，通過對學習角度值和精確測量角度值的對比，統計了本文方法的精度，結果見表1，水平角和垂直角的差值統計如圖6所示。

表1 學習角度與精確測量角度差值統計

圖5 CPⅢ點自動學習部分源代碼

由表1可以看出，利用本文方法計算的公共CPⅢ點角度值與精確測量角度值的差值主要分布于1″～3″的區間內，最大不超過4″，實際測量時，配合全站儀的ATR自動照準功能能夠根據設置的搜索范圍精確找到CPⅢ目標點。

5 結 語

本文分析了CPⅢ平面控制網的布網方案和測量方式，提出了基于平面坐標轉換和三角高程測量原理利用相鄰兩個測站的2個公共點自動計算其余6個公共點的水平角度和垂直角度的方法，并基于智能全站儀使用GeoCOM方式開發了CPⅢ數據采集軟件。應用該方法的算例表明，該方法可以有效計算公共CPⅢ點的角度值，配合帶有ATR自動照準功能的高精度全站儀能夠準確定位公共CPⅢ點，省略了大量外業工作，提高了外業數據的采集效率。

圖6 計算值與精確測量值差值的統計

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