高速铁路控制网测量技术及数据处理方法研究

张亮

摘要： 目前，随着高速铁路建设的快速发展，对工程测量技术的精度要求也越来越高，工程测量控制网为平面测量提供起算基准，高精度的基准控制网是保证高速铁路成功建设的关键技术之一。为满足高速铁路的安全性要求，本文利用GPS建立高铁CP0、CPI、CPII控制网，并对三级平面控制网的布设原则及观测方法进行分析研究，然后基于GAMIT软件，提出了框架控制网数据处理中基线解算的方案。在此基础上尽量消除基线解算误差，选择科学的解算软件和解算方案，以及基线网平差等方面提出一些原则和方法，來提高基线解算的可靠性和精度，进而提高框架控制网的精度，为平面测量提供精准可靠的起算依据。

Abstract： At present， with the rapid development of high-speed railway construction， the engineering measurement accuracy requirements are increasingly high. The engineering surveying control network provides benchmark for datum plane measurement， and control network with high precision is one of the key technologies to ensure the success of high-speed railway construction. In order to meet the safety requirements of high-speed railway， GPS is used to build high-speed railway CP0， CPI， CPII control network， and this paper analyzes the layout principle and observation method of the three-plane control network， and then based on the GAMIT software， presents a the baseline scheme in the data processing of framework control network. On this basis， try to eliminate baseline error， select the scientific calculation software and calculation scheme， and put forward some principles and methods for the baseline network adjustment and other aspects， to improve the reliability and accuracy of baseline solution， thus improve the accuracy of the control network framework， and provide accurate and reliable initial basis for measuring plane.

关键词： 高速铁路；GPS；控制网测量；数据处理；基线解算

Key words： high speed railway；GPS；control network measurement；data processing；baseline solution

中图分类号：U212.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0129-03

0 引言

高速铁路客运列车的行驶速度一般在250～350km/h，就目前的铁路客运系统来说，这已是一个相当快的行进速度。乘客的人身安全以及乘坐时的舒适度主要取决于高速铁路是否平顺、稳定。因此，必须将高速铁路集合线性参数的精度误差控制在毫米级的范围内。目前国内传统的铁路工程测量技术在测控精度方面远未达到这点要求。全新的工程测量技术和测量方法将在这方面发挥至关重要的作用。

自2009年12月1日起正式实施的TB10601-2009《高速铁路工程测量规范》，明确规定高速铁路工程测量平面控制网，必须基于CP0框架控制网进行基础平面控制网CPI，线路平面控制网CPII、轨道控制网CPIII三级布网片[1]。CP0控制网中各控制点之间一般相距一数十公里或数千公里，与国际全球导航卫星服务组织（IGS）跟踪站相距数百公里或数千公里，是典型的GPS长基线控制网。本文对高铁CP0、CPI、CPII控制网的建立做出分析，并在此基础上对CP0框架控制网的基线解算方法做出研究，保证基线解算结果的可靠性，提高控制网精度。

1 铁路控制网建立流程

1.1 传统铁路工程测量方法及特点

以往，我国铁路建设的速度目标值比较低，轨道平顺性、可靠性等指标的控制基准也比较低，并且勘测和施工时也缺少一套完整的测量控制系统作为保证，主要参照线下工程施工控制指标来整体把控各级控制网的测控精度，并未考虑轨道施工到后续运营对测量控制网的精度要求[2]。传统铁路工程测量基本包括初测（初测导线、初测水准）、定测（交点、直线、曲线控制桩）、线下工程施工测量（以定测控制作为施工测量居基准）和铺轨测量（穿线法、弦线支距法或偏角法测量）四个方面。

传统工程测量方法的主要特点有：

①平而坐标系投影误差大；

②勘测和施工放线的操作仍以坐标定位法为主，鲜少涉及全站仪、GPS等新型测量技术；

③未使用逐级控制法构建基线控制网，线路测量可重复性较差；中线控制桩接连丢失，恢复起来比较困难；

④测量精度低：导线测角中误差12.5″、方位角闭合差25″；全长相对闭合差：1/6000；施工单值复测常常面临曲线偏角超限的问题；调整设计偏角要同时变更线形，施工难度大；

⑤轨道按照线下工程的施工现状采用相对定位进行敷设，而不是以控制网为基准按照设计的坐标定位敷设，极易出现测量误差。当测量误差累积到一定程度后会导致轨道的几何参数偏离设计值。

1.2 高速铁路工程测量流程及特点

高速铁路精密工程测量主要包含以下特点：

一是确定了高速铁路精密工程测量“三网合一”测量体系：勘测控制网CPI、CPⅡ、准基点构成；施工控制网CPI、CPU、水准基点、CPⅢ；运营维护控制网：CPⅢ、加密维护基桩。并提出技术标准：勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网坐标高程系统的统一；勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网起算基准的统一；勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网测量精度的协调统一；线下工程施工控制网与轨道施工控制网、运营维护控制网的坐标高程系统和起算基准的统一。二是确定了高速铁路工程平面控制测量分三级布网的布设原则。三是建立了以“边长投影变形值≤l0mm/km（无砟）/25mm/km（有砟）”为主的高速铁路工程测量平面坐标系统独立坐标系；四是提出高速铁路轨道定位模式——绝对定位与相对定位测量相结合的铺轨测量定位模式；五是确定了高速无道铁路工程测量高程控制网的精度等级；六是在测量任务结束后，建设单位应该组织相关专家按照规定的指标进行评估验收。

2 构建CP0、CPI、CPII控制网

2.1 高速铁路控制网主要技术标准

高速铁路工程平面控制测量的整体布置必须符合逐级测控的要求，在测量过程中要根据表1严格控制各级平面控制网的测量参数。高速铁路三级平面控制网之间的相互关系如图2所示。

2.2 框架（CP0）控制网的建立

在初测前，应该通过GPS测量方法构建CP0控制网，全线统一施测，一次性布网，整体平差。CP0控制网与IGS参考站或国家A、B级GPS点，全线最少有2个分布均匀的已知联测站点[3]。

①对CP0控制网点位的观测应持续8～10h。②测量前，按技术规程校验测量仪器。对中设备采用精密对点器，对中精度小于1mm，在作业环节必须校验基座水准器，以使其保持良好的应用状态。③采用多台GPS接收机同步进行静态观测，按照提前设定的时间同步观测。④CP0分四个时段同步观测，每一时段观测时间至少达到3h。⑤按要求应该确保至少有4颗卫星同步观测，卫星高度角为15°，每15s进行一次数据采样。⑥在各时段观测前后分别测量天线高，当测量误差达到2mm以内时取两次测量数据的平均值计为每一时段的实测结果。完成一整个时段的观测任务后，校准对中整平仪器，然后进入下一时段的观测[4]。

2.3 构建基础平面（CPI）控制网

建议在初测环节通过统一测量建立起CPI控制网，而且要保证全线一次布网，整体平差。CPI控制网应联测CP0控制网。为了防治控制网遭到破坏，应该选在测量方便、不宜被干扰且相对稳定的位置布置控制网，特别是要保证控制网中心50～1000m的半径内不得存在干扰因素；根据隧道、桥梁等大型建筑物的点位设计要求科学地选择点位。CPI需要通过边联结的形式建网，形成三角形或四边形的带状网。在具体操作中，首先确定线路勘测的起始点和终点两个点位，应确保相互重合CPI控制点至少超过2个，并且勘测所得的数据应该能体现出控制点之间的相互关系。

①CPI控制网各点位的观测时间要达到3～4h。②勘测和建网前先校验仪器。对中设备采用精密对点器，对中精度保证在1 mm以内。③多台GPS接收机按照设定好的时间同步进行静态观测。④CPI同步观测时段数为2，每时段观测不少于120 min。

2.4 线路平面（CPII）控制网的建立

CPII控制网宜在定测阶段完成。CPII的建网观测要求与CPI基本一致，但是也存在以下几点区别：①CPII同步观测1时段，观测时间至少应该达到1h。②CPII控制网需要与点位和坐标稳定、精准的CPI点联测，各联测控制点共同组成了铁路三等GPS监测网。③CPII控制网在复测环节，CPII控制点必须独立建网进行观测。

3 框架（CP0）控制网数据处理方法研究

框架控制网（CP0）作为高速铁路平面控制测量的起算基准，必须确保其具有较高的精度，并且系统稳定可靠。實际工况下有很多因素会对CP0定位精度造成干扰，若不加以控制，就会导致定位结果出现很大的误差，也就达不到规定的定位精度。本文采用GAMIT软件，选择合适的数据处理方案，对CP0控制网进行基线解算。

3.1 影响因素分析

基线解算时应根据网尺度的大小、基线的长短来决定采用哪种星历。为进一步控制星历误差对基线解算的干扰作用，建议根据IGS综合最终星历进行解算。鉴于最终星历的滞后时间长达11d，如果时间上达不到解算要求，可将其替换成IGR快速星历[5]。另外，处理基线的过程中应该对星历误差对基线的干扰作用加以考虑，同时尽量采用强约束、高精度的地面基准站坐标进行基线解算，在解算的过程中适时运用松弛轨道的方案来控制卫星轨道误差。

对流层折射误差会对定位精度以及模糊度解算过程造成干扰。为了尽量规避对流层折射误差的干扰，在解算分析CP0基线的过程中，应该对对流程折射误差的修正精度进行重点考虑。首先要科学地选择天顶对流层延迟模型和映射函数，其次要大概估测天顶对流层湿延迟参数。满足这两点要求后通常能保证修整精度。

解算分析CP0框架控制网基线的起算点应该选择CGCS2000国家点或IGS参考站。如果所选的起算点坐标缺少兼容性或者存在误差，通常会导致CP0框架控制网基线向量解产生系统性误差。通过试验发现，当CP0框架控制网基线向量在系统性旋转以及尺度调整时，一般会出现这类误差。

3.2 框架控制网数据处理方案

CP0控制网属于中长基线GPS网，其基线解算方案的选择至关重要。考虑到卫星星历误差、对流层折射误差、基准点初始误差等干扰因素，需要使用高精度的解算软件来解算分析基线向量[6]。GAMIT是开源免费软件，目前它已在国内广泛推行，在施工及运营环节，为了确保该软件能够与其他铁路线顺利衔接，并且使对框架基准的复测维护更加便捷，本文将应用GAMIT10.6软件，采用以下解算方案进行CP0基线解算：

通过IGS提供的事后最终精密星历，结合轨道参数的先验精度对解算过程加以约束。

①解算模型使用RELAX.松弛解，并对卫星轨道及测站坐标进行估算；②通过“1-ITER”解算模式完成测站坐标的一次迭代；③观测量设为LC_HELP类型，即采用LC观测值组合解算模糊度；④参照antmod.dat文件的设定值来修正卫星及接收机的天线相位中心，修正时所用的天线模型为ELEV模型；⑤通过LC观测值组合来消除电离层折射的干扰作用；⑥通过广播星历中的钟差参数修正卫星钟差模型；⑦通过伪距观测值经运算得到接收机钟差参数；⑧基于高度角对数据定权，Station Error = ELEVA-TION 10 5；⑨通过AUTCLN自动处理模式对周跳进行探测和修复；⑩修整测站施加地球固体潮、极潮、海潮以及大气负荷潮等各种潮汐参数。

4 结论

国高速铁路精密工程测量技术体系的完善要依靠相应精密工程测量技术的创新发展才能实现。精密工程测量技术的进步也为国内大规模兴建高速铁路的施工活动提供了精密的技术标准。我国建立GPS高铁测量控制网后，铁路测量精度将大大提高，整个作业过程将更加系统化、规范化，该技术也将在客运专线轨道铁路的勘测设计以及施工、运营等环节起到至关重要的作用，特别是对于保障客运轨道的高精度、高平顺性等方面将发挥更大的效能。

本文结合CP0数据处理的经验，分析了CP0控制网数据处理中基线解算的影响因素，并利用GAMIT对基线解算的方案进行研究分析。应使用当前最新的ITRF参考框架及其参考历元下的IGS参考站坐标来解算分析CP0框架控制网基线，并且使用IGS发布的精密卫星星历，以确保地面基准站坐标与卫星星历的框架及历元保持一致。另外，具有较高的精度和出色的兼容性的IGS基准站坐标，使基于GAMIT软件的基线解算精度和可信度大大提高，进而保证高速铁路的顺利建设。

参考文献：

[1]高淑照，魏涌.高速铁路框架控制网闭合环检验方法研究[J].铁道建筑，2013（8）：119-122.

[2]李世平，武文波.GPS在建立高速铁路控制網中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2012（5）：782-785.

[3]王长进.高速铁路精测网建设有关问题的探讨[J].铁道工程学报，2007（12-S）：46-47.

[4]张国强.GPS定位技术在精密工程测量中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，29（2）：42-45.

[5]石德斌，王长进，李博峰.高速铁路轨道控制网测量和数据处理探讨[J].铁道工程学报，2009（4）：26-30.

[6]周东卫.高速铁路CP0框架控制网数据处理模式与方法研究[J].铁道标准设计，2015（3）：11-16.