基于超站仪的既有线测量方法研究

2019-08-01朱永辉刘成龙高淑照杨雪峰

铁道勘察 2019年4期

朱永辉刘成龙高淑照杨雪峰

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，四川成都 611756)

为了进行既有线轨道测量，首先要建立完整的运营维护测量控制网[1]。关于既有线控制网与轨道测量方法，许多学者与工程技术人员已进行了相关研究。全志强[2]对铁路有砟轨道CPⅢ网测量方法进行了研究，通过分析自由测站边角交会法和导线测量的内在联系，对铁路有砟轨道CPⅢ控制网自由测站边角交会法进行探讨；覃庆[3]对既有线测量技术的安全性、效率、精度等问题进行研究，提出用坐标法测量既有线的基本思路；陈光金[4]对铁路既有线测量和设计的一体化模式进行了研究；罗远刚[5]参照高速铁路CPⅢ自由测站边角交会网，提出一种普速铁路新型轨道控制平面网的建网和施测方法，即单点交错的自由测站边角交会网。从已有研究来看，大多数聚焦于其中一种方法的研究与优化，并未全面考虑线下测量与线上轨道控制网测量两者的关系，以下将深入研究两个工序的特点与相互关系，探索一种高效率的测量方法。

1 新型网设计及其测设

1.1 传统平面控制网

参照《铁路工程测量规范》(TB10101—2009)，对于行车速度160 km/h的铁路既有线，应分别布设CPⅠ、CPⅡ和CPⅢ控制网。其中，CPⅠ和CPⅡ网沿线路走向布设[6]，控制点分别设在距线路中心 50～500 m和50～200 m范围内(如图1所示)，CPⅠ采用四等GNSS测量，CPⅡ采用五等GNSS或导线测量[7]。

图1 CPⅠ、CPⅡ点位布设示意(单位：m)

目前，既有线的CPⅢ点都是布置在轨道两侧的接触网杆、桥梁防撞墙或隧道侧壁上[8]，每隔100～120 m 布置1对点，采用自由测站边角交会法进行测量，相邻自由测站点间隔200～240 m。在自由测站点上对前后各3对CPⅢ点(共12个CPⅢ点)进行边角观测，CPⅢ平面控制网应附合在 CPⅠ、CPⅡ或加密的高级控制点上[9]，如图2所示。

图2 CPⅢ平面网测量方法示意

1.2 新型CPⅡ控制网

(1) 超站仪及快速静态定位简介

随着测量机器人和全球定位系统的不断发展，超站仪应运而生。超站仪是由全站仪和全球定位系统集成的测绘系统。它既具有全球定位系统的功能，又具有全站仪的功能，是一种超级全站仪或超级全球定位系统。该系统所实现的无加密控制作业模式，是对传统测绘模式的革命性改造[10]。

超站仪是一种新型的工程测量仪器，集成了GNSS系统和全站仪技术，能够对超站仪测站位置的空间坐标进行定位[11]；定位之后，再利用全站仪对被测物进行自由测站测量。这种新型的测量方法不必设置加密控制点，测量时全站仪不必照准后视点，大大提高了测量效率，同时保证了测量精度[10]。超站仪可以随意集成与分解，可单独作为全站仪或GNSS接收机使用，亦可将两者集成使用。

常规的GNSS静态相对定位技术通常需进行较长时间的同步观测(一般需1～2 h)，才能确保定位结果的精度和可靠性，即使在短基线测量时也是如此[12]。随着多星座全球定位系统的建成，对于边长较短、精度要求又不高的GNSS静态相对定位，GNSS快速静态定位技术只需进行短时间观测便能快速确定整周模糊度，从而获得高精度的基线向量解[13]。

(2)基于超站仪的新型CPⅡ控制网

CPⅡ网的主要作用就是为CPⅢ平面网提供一个起算基准。新型CPⅡ网是将原来CPⅢ平面网的自由测站点作为CPⅡ控制点，如图3所示。

图3 新型CPⅡ网测量网形示意

新型CPⅡ网测设：在线下的3个CPⅠ点上架设GPS接收机并进行足时测量(选取的CPⅠ点应尽量靠近且能覆盖所测线路，最远的两个CPⅠ点间距不应大于15 km)，然后对线上CPⅢ网(使用超站仪)按照自由测站法依次进行测量(参照《铁路工程测量规范》，相邻CPⅡ点间距为400～600 m)，每隔一个或二个自由测站测量一个新型CPⅡ点，超站仪在自由测站上的快速静态测量时间应不少于10 min。在后续的数据处理中，新型CPⅡ点与线下的CPⅠ点之间构成同步观测，经过基线计算和整网平差后，就可以得到新型CPⅡ点的坐标。

进行CPⅢ平面网测量时，在一个测站点上至少测量两个测回，加上全站仪的学习测量时间，大概需要15 min。新型CPⅡ网以自由测站点作为控制点，既不需要提前埋点，在测量时也没有对中误差，提高了测量精度及效率。

2 精度分析与实验验证

控制网的精度估算是控制网设计的一项重要工作，即由所设计的网形和网的观测值精度推算出边长中误差、方位角中误差以及点位中误差等精度指标。只有估算出的精度指标满足规范或工程的相应要求，其测量方案才是可行的[14]。

为验证新型CPⅡ网的可行性及精度，首先对GNSS快速静态测量得到的基线质量进行验证，分析其能否达到规范要求的CPⅡ网精度要求；其次，新型CPⅡ网相邻两个CPⅡ点之间没有直接的基线观测量，不能按传统的平差方法直接计算出相邻CPⅡ点之间的相关精度指标。因此，需推导新型CPⅡ网中相邻点的方位角中误差、边长中误差和边长相对中误差等精度指标，并进行观测验证。

2.1 基线质量

根据规范要求，基线观测数据质量应符合下列规定：①同一时段观测值的数据剔除率不宜大于10%。②同步环闭合差、独立环闭合差、重复观测基线长度较差应符合参考文献[6]的相关规定。

为了验证快速静态测量的基线精度，在某既有铁路线上进行了观测实验。首先在线下选取了三个相距较远的CPⅠ点，架设双频多星GNSS接收机，然后在线上三个相邻的CPⅡ点上进行快速静态测量实验，每个时段观测10 min，共观测了6个时段，按照规范要求进行基线解算和网平差，得到各个时段独立闭合环的闭合差，以及三维无约束平差后各基线向量的改正数，各个时段独立闭合环的最大闭合差和基线向量改正数的最大值，上述各项指标的统计结果如表1和表2所示。

由表1和表2可见，6个时段闭合环的闭合差和三维无约束平差后基线向量的改正数都满足限差要求，即按照GNSS快速静态方法测得的基线可以达到规范中160 km/h既有线CPⅡ网的精度要求。由该方法所建立的新型CPⅡ网的精度还需进行进一步的研究和验证。