基于后方交会法的CPⅢ平面网自由设站观测方法研究及系统开发

李科伟++帅明明

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.22.006

摘 要：在中国高速铁路发展的今天，不管是对铁路的施工还是营运期间，均需要进行CPIII网测量，目前市面上的CPIII采集程序有些不足，在每站对12个方向目标进行学习测量时，必须全部逐一学习，比较耗时，有待优化改进，特别是在营运时期的有限外业时间内提高CPIII外业作业效率是非常必要的。该文采用已知两点进行后方交会法自由设站，已知坐标批量导入作为学习值来迅速提高作业效率。

关键词：后方交会 自由设站 CPⅢ测量 CPIII开发

中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（a）-0006-03

根据中国铁路总公司统计，截至2016年年底，我国铁路营运里程突破12.4万km大关。在12.4万km中，高速铁路营运里程达到2.2万km，居世界首位，使我国成为世界上高速铁路营运里程最长、在建规模最大的国家。按照原铁道部运输局运基线路[2010]554号文“关于发布《高速铁路运营沉降监测管理办法》的通知”第21条要求：“铁路局应组织对精测网进行定期或不定期复测……。CPⅢ控制网及水准基点一般每年复测一次，……”，为此需要对CPⅢ网进行复测。目前开通的诸如京沪、沪杭、沪宁、合蚌、武广、沪昆等高速铁路均开展了营运期的CPⅢ网复测工作。而营运期的CPⅢ网测量只能在天窗时间作业，天窗时间长度一般为3～4 h不等。在有限的外业时间内如何提高作业效率，按时保质完成测量工作非常重要。该文通过对CPⅢ网自由设站边角交会观测方法的研究，提出“重复利用上一自由设站的目标学习值，采用后方交会原理对当前设站点进行自由设站定位，对新观测目标进行学习，在检查气象参数等其他设置后自动开始数据采集”的方法，并以此开发CPⅢ数据自动采集系统，迅速提高观测效率，大大节省了项目成本。

1 原理与方法

现行《高速铁路工程测量规范》要求，CPⅢ平面网测量应采用自由设站边角交会法施测，网形（以测站间距120 m为例）示意如图1所示。目前出现的CPⅢ数据自动采集系统大都按照“自由设站—目标学习—自动观测并精度控制—输出观测文件”循环往复的步骤进行外业数据采集。其中学习时，需要对12个观测目标逐一进行学习。下一测站时，需要对观测的12个目标再次逐一进行学习。这样一来，在有限的天窗作业时间内，外业数据采集效率难免比较低。

该文提出的作业方法如下。

（1）未知CPIII点坐标值的情况。

在自由设站点Z1对1～12号棱镜进行目标学习，观测完成后迁站至Z2点，在Z2点观测5～16号目标，其中5～12号目标的学习值在上一测站时已获取，采用5～12号目标中任意2个目标的学习值，如图2所示，对当前Z2设站点进行后方交会设站定位，设站完成后对新观测目标13～16进行目标学习，学习完成并检查相关参数设置后开始自动数据采集工作。

（2）已知CPIII点坐标值的情况。

在内业准备工作时将批量已知的CPIII点的XYZ坐标值保存为一个文本文件，然后将该文件拷贝到外业数据采集手簿中的程序目录中，并将其导入CPIII点备选数据库中，如图3所示。在Z1站架站时，勾选备选数据中的1～12号点作为该站初始学习值，并从中选择任意两个点进行后方交会，得到Z1点概略测站坐标，然后检查相关参数设置后即可开始自动数据采集工作。同理在Z2架站时，只需要选择备选数据库中的5～16号点作为初始学习值，再选择其中任意2个点进行后方交会设站后即可开始Z2站的自动数据采集工作。

为了满足批量数据导入需求，该采集系统设计有3种方式导入一测站的所有点学习值：①将某段线路所有CPIII点数据批量导入备选库，然后从中挑选一站的所有目标点作为初始学习值；②将某段线路所有CPIII点数据经过测站名编排后，批量导入备选库，然后通过选择测站名，就自动将该测站的所有目标点数据作为初始学习值；③将一站数据保存为一个文本文件，直接将该文件中的全部数据导入作为一测站所有点的初始学习值。

考虑到批量导入学习值后，现场情况有变化，该采集系统提供修改、删除、增加学习值的功能。并且具有选择其中一个目标方向点作为起始零方向后，对其他所有初始学习值点进行自动顺时针排序的功能。假设批量导入的Z1测站初始学习值点的顺序为1、2、3、4、…、12，则以1号点为起始零方向排序后，将自动变为1、3、5、7、9、11、12、10、8、6、4、2的顺序，如图4所示。

2 系统实现

该采集系统用已知两个学习值点，进行后方交会时，是将平面坐标和高程值分开计算的，首先计算平面坐标，如图5所示，A、B两点为已知的CPIII学习值点，P点为全站仪自由架站点，d0为A、B两点平面坐标反算的平距。全站仪可以测量出PA、PB的距离分别为d1、d2，根据PA、PB两个水平观测角度值可以计算出夹角γ，然后根据余弦定理，计算出另外两个夹角α、β。由于有误差，三个角度之和不等于180°，先将角度误差平均分配，得到α`、β`。

已知A、B两点坐标可以计算出方位角αAB，则AP边的方位角αAP=αAB+α′，结合AP距离d1，根据坐标正算原理，可以计算由A点推算的P点坐标（Xp1，Yp1）；同理可以由B点推算出P点的坐标（Xp2，Yp2），两组X、Y坐标分别取平均值作为测站点P的平面坐标。

至于测站P点的高程值，采用三角高程计算原理，由A、B两点的已知高程分别推算出P点的高程，然后求其平均高程值。有了测站坐标值，就可以快速完成设站定向。

该采集系统采用Visual Basic 2008程序语言编制，在Windows mobile 5.0/6.0平台上成功运行。在正式开始测量前的流程图如图6所示，这也是该系统的核心优势特点。

该采集系统还具有其他优势：如通讯端口支持数据线连接和蓝牙连接的切换；具有默认超差等级参数及自定义限差参数设置；具有可视化电子气泡显示，测量过程中全站仪补偿器超限提醒设置；具有干温、气压、相对湿度（或湿温）气象改正参数设定、读取功能；具有手簿上直接查看全站仪电量功能；测量过程中，具有严格的限差限制，各类超差报警提醒，保障测量结果准确可靠；如果屏幕背景光节电关闭，则本站所有测回测量结束后将自动点亮屏幕。为了该采集系统更加完善，正在着手增加精度评定功能，以实现在现场查看本站CPIII点新旧坐标的精度，达到线路拼接处CPIII点的核查。

3 结语

该采集系统具有较多有点，用于高铁CPIII控制点数据采集，更适合高铁监测、维护时期的CPIII复测数据采集。软件操作简单、易学；设站及录入学习值高效、快捷；限差设置齐全，保证测量精度，大大提高野外数据采集的工作效率。

参考文献

[1] TB10601-2009，高速鐵路工程测量规范[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[2] 孔祥元，郭际明，刘宗泉.大地测量学基础[M].2版.武汉：武汉大学出版社，2010.

[3] TB 10601-2009，高速铁路工程测量规范条文说明[S].北京：中国铁道出版社，2009.endprint