CPⅢ平面控制测量网型改进的一种方法研究

2014-07-25姜春杰杨保华

铁道勘察 2014年4期

关键词：测站点位控制点

王斌姜春杰杨保华

(山东黄金矿业(玲珑)有限公司，山东招远 265419)

CPⅢ平面控制测量网型改进的一种方法研究

王斌姜春杰杨保华

(山东黄金矿业(玲珑)有限公司，山东招远 265419)

轨道控制网(CPⅢ)是高铁控制测量的重要组成部分。我国的测量工作者对CPⅢ控制网的精度特点、观测方法已经进行了比较细致的研究，并取得了一些可喜的成果。但是在平时的作业中仍存在一些问题，如某测站的通视条件不是特别好等，需要对原有的传统网型进行改进。

CPⅢ平面控制网网型设计观测精度观测条件

为了保证轨道的平顺性，需要在高速铁路建设的整个过程中都要展开CPⅢ的测量工作。传统的轨道平面控制网(CPⅢ)已经可以很好地完成既定的测量任务，但是对于一些测量条件较为特殊的区域会遇到一定的困难，致使测量精度难以满足要求。针对这一问题，以“兰新铁路”某段实测的资料作为实验数据，对传统的CPⅢ平面控制网网型进行简要的介绍和相应的精度比较；在此基础之上，提出一种新的构造CPⅢ平面控制网的办法，可以在一定程度上提高工作效率，又可以满足精度要求。

1 CPⅢ平面控制网的特点以及施测条件

(1)CPⅢ平面控制网的网型新颖。

(2)CPⅢ平面控制网的精度和可靠性要求较一般的平面控制网高，这对CPⅢ平面控制网的平差提出了较高要求。

(3)CPⅢ平面控制网的已知控制点坐标是在高斯平面上的坐标，与地面观测值尺度不一致，需将地面观测值归算至高斯平面上。

(4)CPⅢ平面控制网数据是自动化采集的，不可避免会存在粗差。

CPⅢ平面控制测量应该在气象条件相对比较稳定的天气下进行(温差变化小、湿度较小的天气，最好是阴天或者晚上)；夜间观测应避免强热光源对观测的影响；且观测时自由测站附近不能有震动干扰以及高压设备存在。观测时段的选择应满足以下条件：

(1)应尽量选择无风的阴天进行。

(2)应完全避开日出，选择日落、日中天的前后1 h的时段进行观测。

(3)如果条件允许，首先应选择夜晚无风的时段观测。

2 传统CPⅢ平面控制测量施测网型简介和精度分析

2.1 施测网型

CPⅢ平面控制网标准网形如图1所示。观测测站间距一般为120 m左右，测站沿线路方向前后各观测3对CPⅢ点，相邻两个测站重复观测4对CPⅢ点，间隔的测站重复观测2对CPⅢ点，每个CPⅢ控制点有至少3个方向和距离交会。

在测站通视条件不好的情况下，如障碍物遮挡或线路曲率半径过小导致全站仪无法观测棱镜或无法分辨棱镜时，测站间距为120 m的标准网形无法施行。这时可以使用测站间距为60 m的改进网形，如图2所示。改进网每个测站前后各观测2对CPⅢ点，相邻两个测站重复观测3对CPⅢ点，间隔的测站重复观测2对CPⅢ点。每个CPⅢ控制点有至少4个方向和距离交会。测站间距为60 m的CPⅢ改进网要求条件降低，观测更加灵活且精度更加均匀，但效率也相应降低。实际观测过程中，一般采用测站间距120 m的CPⅢ平面控制网标准网和测站间距60 m的改进网相结合的方法。

CPⅢ平面控制网在进行自由测站边角交会观测时，应联测高等级控制点，联测时应采用同一组棱镜。与高级控制点CPⅠ或CPⅡ点联测可以通过自由设站置镜观测CPⅠ、CPⅡ控制点，一般联测不少于3个自由测站。也可采用在CPⅠ、CPⅡ控制点设站置镜观测CPⅢ点，观测的CPⅢ点应尽可能多，一般不少于3个CPⅢ点。如图3和图4所示。两种观测方法精度没有多大差别，顾及到观测效率，推荐采用自由设站置镜观测CPⅠ、CPⅡ控制点的方法。

图1 测站间距为120 m的CPⅢ平面网观测网形

图2 测站间距为60 m的CPⅢ平面网观测网形

图3 在自由测站置镜观测CPⅠ/CPⅡ控制点的观测网

图4 在CPⅠ/CPⅡ控制点设站置镜观测CPⅢ点的观测网

CPⅢ平面控制网与高级控制点联测时，有时高级控制点距离线路距离太远或与CPⅢ点无法通视，也可在CPⅠ/CPⅡ点与CPⅢ点之间增设临时辅助点架设仪器。在辅助点架设仪器，应尽可能多的置镜观测CPⅢ点，如图5所示。图中L1、L2为增设的临时点，与自由测站点无本质区别。这种间接联测方法能较好解决自由测站或CPⅢ点无法直接联测附近CPⅠ/CPⅡ点的问题。

2.2 精度分析

CPⅢ平面控制网最重要的精度指标是相邻点的相对中误差。计算CPⅢ平面控制网的相对点位精度，可以通过网中水平方向和距离观测值的先验观测精度和CPⅢ网的网形，对CPⅢ网的精度进行仿真计算。CPⅢ平面控制网是一个边角网，可按边角网的间接平差原理，对CPⅢ点间相对点位精度进行仿真计算。

图5 增设临时点置镜观测CPⅢ点的观测网

由图1可知，CPⅢ平面控制网标准网形十分规则。假设起算点间距为600 m，可以对CPⅢ平面网点间相对点位精度进行仿真计算。如图4所示，各CPⅢ点沿线路纵向(Y方向)间距为60 m，横向(X方向)间距为11 m，测站间距120 m，起算点CPⅡ01～CPⅡ02间距为600 m。现在分别以CPⅢ平面控制网水平方向的先验精度为0.5″、1″、2″，测距先验精度分别为±(1+1×10-6D)mm、±(1+2×10-6D)mm、±(2+2×10-6D)mm进行组合，计算CPⅢ点间相对点位精度。CPⅢ点间相对点位精度信息如表1所示。需要注意的是，《规范》中要求设计的CPⅢ控制网相邻点的相对中误差小于1 mm指的是相邻点的平面x、y坐标分量中误差小于1 mm，出于偏安全的角度考虑，本文统计的最大相邻点位精度指的是相邻点的点位中误差。

表1 测站间距为120 m的标准CPⅢ网形的相对点位精度估算结果

现使用CPⅢ平面网的改进网形估算CPⅢ点间相对点位精度。各CPⅢ点沿线路纵向(Y方向)间距为60 m，横向(X方向)间距为11 m，测站间距60 m，起算点CPⅡ01～CPⅡ02间距为600 m。CPⅢ平面控制网水平方向及测距的先验精度同标准网的先验精度、CPⅢ点间相对点位精度信息如表2所示。

表2 测站间距为60 m的改进CPⅢ网形的相对点位精度估算结果

由表1和表2所示结果可以得到如下结论：

①使用CPⅢ平面网标准网形及改进网形，水平方向的先验精度为2″或测距精度为±(2×10-6D) mm时都无法满足CPⅢ点间相对点位精度小于1 mm的要求；

②当使用的仪器先验精度为方向观测1″，测距±(1+2×10-6D)mm时，CPⅢ平面网标准网形最大相邻点位精度达到0.99 mm，接近限值。

③CPⅢ平面网的改进网形比标准网形交互强度更好，估算相邻点位精度更高。

由上述情况可知，能够用于进行CPⅢ平面网外业观测的全站仪标称精度应不低于方向观测中误差1.0″，测距中误差±(1+2×10-6D)mm，这与《规范》中的要求相同。CPⅢ平面网的改进网形更有利于轨道铺设，考虑到实际工作量与外业的观测效率，条件允许时，应采用测站间距120 m的标准网形，测站间距60 m的改进网形作为必要补充。

3 改进CPⅢ平面控制网简介

CPⅢ平面控制网要求精度高，对环境要求极为苛刻，工期又十分紧张，现有的观测网形及观测方法效率上有时显得难以应对，针对这种实际情况，提出了一种改进的控制网网型，可以在一定程度上提高工作效率，并满足观测结果的精度要求。

3.1 基本网型

由以上对传统CPⅢ控制测量平面网型的介绍和分析可知，由测站间距60 m的改进网与测站间距120 m的标准网比较，前者观测效率较低，后者的观测效率较高，如果在观测环境不是特别优越的地区直接用前者进行观测，这对本来工期很紧的CPⅢ控制网测设十分不利。现在提出一种方法，将测站间距60 m的改进网与测站间距120 m的标准网相结合成为测站间距120 m的变化网，如图6所示。各CPⅢ点沿线路纵向(Y方向)间距为60 m，横向(X方向)间距为11 m，每两对测站间距60 m(一对测站之间距离很小，可忽略，观测时只需稍微挪动重新设站)，起算点CPⅡ01～CPⅡ02间距为600 m。每一测站对沿线路方向前后各观测两对CPⅢ点，每相邻两对自由测站重复观测两对CPⅢ点，如此可知每个CPⅢ控制点有至少四个方向和距离交会，这种改进的网型满足《规范》的要求。

图6 测站间距120 m的CPⅢ变化网网形

3.2 精度分析

根据CPⅢ平面控制网水平方向及测距的先验精度估算图6中网形相邻点位精度结果如表3。

表3 测站间距120 m的CPⅢ变化网形的相对点位精度估算结果

针对表3中的点位精度估算结果，通过与未改进的网型的点位精度估算结果进行对比，结合相应等级CPⅢ平面控制测量规范要求可以发现，这种改进的控制网网型可以完全满足相依等级CPⅢ的测量要求。

3.3 改进网型的特点

这种改进的网型主要具有以下几个特点：

①该种改进网在布网的过程中结构合理，整体网型结构美观，控制网的结构紧密，具有较强的相关性；

②该种改进的控制网与传统60 m CPⅢ平面的控制网相比较，可以大大的提高工作效率；

③该种改进的控制网与传统的120 m CPⅢ平面控制网相比较，可以很好的解决日常的CPⅢ测量工作中遇到的观测条件不好等较为常见的问题，并可以保证相应等级的观测精度。

3.4 注意事项

改进CPⅢ平面控制网具有众多优点，可以解决测量工作中遇到的一些常见问题。在实验过程中，通过对数据的计算可以发现，所采用的控制点的精度和所采用的仪器的先验精度对改进网的观测精度具有很大的影响，建议在使用改进控制网进行测量工作时，应该保证所采用的控制点点位精度和仪器的先验精度，这样才可以顺利完成既定的测量工作，达到预期的效果。