单侧形式轨道控制网测量及其数据处理分析

郭刚

摘  要：随着我国大量高铁的建设和运营，以及已经投入运营的原有铁路，有必要开发和维护越来越多的轨道。当使用配备有专业且高精度测量设备的大型道路养护机械来保持线路状态时，有必要使用轨道控制网络（CPⅢ）作为定位参考。本文系统地研究了一种建立单面CPⅢ控制网络的新方法，并对单面CPⅢ控制网络测量数据的精度进行了统计分析和计算实验。可以认为，CPⅢ平面网和CPⅢ三角高程网的精度可以满足高铁的相关精度要求。最后，通过三维自由站测量实验和精确统计分析，验证了在V形天窗中建立CPⅢ控制网络的可行性。

关键词：轨道控制网  测量  数据处理  高程网

中图分类号：U212.24                          文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2021）02（b）-0121-03

Survey and Data Processing Analysis of Unilateral Track Control Network

GUO Gang

（Chengdu Rail Transit Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610036 China）

Abstract： With the construction and operation of a large number of high-speed railways in China， as well as the original railways that have been put into operation， it is necessary to develop and maintain more and more tracks. When large road maintenance machinery equipped with professional and high-precision measuring equipment is used to maintain the line status， it is necessary to use the track control network （CPⅢ） as the positioning reference. In this paper， a new method of establishing one-sided CPⅢ control network is systematically studied， and the accuracy of measurement data of one-sided CPⅢ control network is statistically analyzed and calculated. It can be considered that the accuracy of CPⅢ plane network and CPⅢ triangular elevation network can meet the relevant accuracy requirements of high-speed railway. Finally， the feasibility of establishing CPⅢ control network in V-shaped skylight is verified by 3D free station measurement experiment and accurate statistical analysis.

Key Words： Track control network; Survey; Data processing; Elevation network

目前，我國的高速铁路（CPⅢ）控制网络是将CPⅢ点成对地沿线方向埋在线的两边，然后用智能全站仪进行自由站角交会测量。在线的两侧分别测量了6对（总共12个）CPⅢ控制点[1]。但是，由于某些线路的检修天窗是V形天窗，因此在检修期间不允许进行跨线操作，并且只能在一条线上执行操作。传统的点对方法不能使用。当V形天窗工作时，全站仪只能安装在一条直线的中心线附近，以测量放置在该直线同一侧CPⅢ控制点处的棱镜[2]。因此，本文提出了一种单侧建立跟踪控制网络（CPⅢ）的新方法，并对新网格的CPⅢ平面的网络测量数据进行处理和分析，以验证CPⅢ平面网络的精度是否可以满足要求。同时对新网进行CPⅢ三角高程网计算实验，以检查CPⅢ三角高程网的精度是否能满足高轨速度的精度要求;最后，进行免费站点测量实验及其精度统计分析，以验证是否可行。

1  单侧形式轨道控制网（CPⅢ）的构网及测量方法

1.1 单侧形式CPⅢ平面控制网网形设计

受禁止在V形天窗上进行交叉线操作的影响，CPⅢ控制网络只能观察线路一侧的CPⅢ控制点，并建立一侧的CPⅢ控制网络。单面CPⅢ控制网络平面测量也采用自由站转角相交测量方法。智能全站仪靠近一条线的中线设置，最接近的6个在同一侧（前3个，后3个）CPⅢ观察控制点，相邻自由站之间的距离通常约为120m，并且观察到最远的控制点CPⅢ的距离应不超过180m[3]。两个相邻的自由测量站在4个CPⅢ控制点处进行重叠测量，两个隔开的自由测量站在两个CPⅢ控制点处进行重叠测量，以确保每个CPⅢ控制点至少进行3次自由测量。如图1所示，是单站CPIII控制网络的平面测量网络的示意图，站点之间的距离为120m。对于单面CPⅢ控制网络平面测量，应每大约600m共同测量同一侧在线的加密点CPⅢ。在已知点进行联合测量时，请确保至少有两个自由站观测到每个已知点，并且从自由站到已知点的观测距离不应超过300m。

1.2 单侧形式CPⅢ三角高程控制网网形设计

在进行单侧形式CPⅢ三角高程测量时，每个CPⅢ控制点都有3个自由测站的斜距和竖直角观测值，且每隔2对CPⅢ控制点布置一个自由测站点。因此，相邻CPⅢ控制点之间的间接高差有两个或3个的情况，即为同名高差。由于同名高差是由不同测站计算得到，其精度不一样。因此，在进行同名高差合并计算时，应该采用加权平均法[4]。以相邻4个CPⅢ控制点构成高差闭合环的方法，构建单侧形式CPⅢ三角高程网。CPⅢ三角高程网应附合于线上加密水准点，每2km左右与加密水准点进行高程联测。

2  单侧形式CPⅢ平面网数据的处理及其精度分析

笔者在某条高速铁路上选取了一段2km多的线路进行计算实验。在这段实验线路上，首先按照常规点对形式对CPⅢ控制网进行观测，然后按照本文所述单侧形式对CPⅢ控制网的左线和右线分别进行观测，接着对两种网形数据分别进行平差处理，并对单侧形式CPⅢ平面网和CPⅢ三角高程网平差后精度进行统计分析，最后对两种网形的CPⅢ平面网平差结果和CPⅢ三角高程网平差结果分别进行比较分析。本段实验线路上，选取了5个CPⅡ控制点作为两种网形CPⅢ平面网的起算数据;点对形式CPⅢ三角高程网的起算数据有3对（共6个）CPⅢ控制点，分别位于线路里程的起始和中间处，而单侧形式CPⅢ三角高程网的起算数据则选取了点对中位于同侧的CPⅢ控制点。

2.1 自由网平差后精度统计分析

左线的单侧形式CPⅢ平面网自由网平差后，其方向改正數最大值为-1.03″，小于规范要求的限差±3″;其距离改正数最大值为1.27mm，小于规范的限差要求±2mm。右线的单侧形式CPⅢ平面网自由网平差后，其方向改正数最大值为-2.01″，小于规范要求的限差±3″;其距离改正数最大值为1.33mm，小于规范的限差要求±2mm。说明单侧形式CPⅢ平面网的左线数据和右线数据自由网平差后的精度满足高铁规范的相关精度要求。

2.2 约束网平差后精度统计分析

左线的单侧形式CPⅢ平面网约束网平差后，其点位中误差为0.75mm，小于规范规定的限差要求2.00mm;其相邻点相对点位中误差为0.54mm，小于限差1.00mm;其验后单位权中误差为0.45″，小于限差1.80″。右线的单侧形式CPⅢ平面网约束网平差后，其点位中误差为1.14mm，小于规范规定的限差要求2.00mm;其相邻点相对点位中误差为0.72mm，小于限差1.00mm;其验后单位权中误差为0.70″，小于限差1.80″。说明单侧形式CPⅢ平面网的左线数据和右线数据约束网平差后，其点位中误差、相邻点相对点位中误差和验后单位权中误差这三项精度指标均满足高铁规范的精度要求。

3  单侧形式CPⅢ三角高程网数据的处理及其精度分析

首先，对自由站三角高程野外测量数据进行质量控制。当左行数据和右行数据满足技术要求时，将左行和右行数据分别附加到该行上。高度差和闭合误差。回路高度差闭合误差统计表明，连接路径高度差闭合误差和环的高度差闭合误差的CPⅢ三角高程网的单侧形状满足二级等级的相应公差要求[5]。单侧CPⅢ高程网的精度分析主要是分析左右CPⅢ三角高程网调整后的高差校正数，高度误差和高低差的精度统计。分别对相邻点的三角形高程网络CPⅢ的单点高程结果进行精确统计分析，并将其与同名点对的三角高程网CPⅢ的高程结果进行比较和分析。

3.1 平差后精度统计分析

三角CPⅢ高程网的一侧平差后，CPⅢ在左右线上的控制点上的高程误差小于高速列车规范要求的2.0mm限差。其中，左侧的控制点CPⅢ的仰角的最大误差为0.37mm，右侧的控制点CPⅢ的仰角的最大误差为0.56mm。结果表明，单侧三角CPⅢ网平差后，仰角误差不仅满足CPⅢ高速列车吊网的限差要求，而且仰角误差值较小，精度较高。

对三角形CP的高程网进行单边平差后，左线相邻点之间的高度差最大误差为0.32mm，右线相邻点之间的高度差最大误差为0.32mm、0.50mm，不大于0.50mm限差的高铁规格要求。结果表明，调整单侧三角形CP三角高程网络后，相邻点高程差的误差精度满足了高铁CPⅢ高程网络的限差要求。

3.2 与点对形式CPⅢ三角高程网高程成果比较分析

如图2所示，新的CP高程网测试与高速车道规格上的原始测试结果之间的误差为3mm，表明CPⅢ单边三角高程网可用于生产项目。

3.3 单侧形式轨道控制网三维自由设站测量实验及其精度分析

在本实验路线的这一部分中，将CP单边平面网络和CP三角高程单边网络的结果用于进行全站仪三维自由站测量实验，以及自由站三维精度[6]。对站组态进行统计分析。与CP形式控制网络的常规3维自由站测量点对形式不同，当单面CP控制网络测量3维自由站时，全站仪配置为靠近左线的中心线（或右线），并且站附近。设置并测量最后6个CP控制点（前后3个）。

在实验路线的此部分中，进行了11个三维自由站测量实验，并计算了这11个三维自由站的精度。

在这11个三维自由站测量实验中，X轴方向上最弱的精度为0.99mm，小于0.7mm的公差要求;Y轴方向的最差精度为0.68mm，小于公差要求0.7mm。Z轴方向的最差精度为0.57mm，小于0.7mm的公差要求。未知方位角的最差精度为0.96″，小于2″的公差要求。结果表明，采用CP平面平面网的单侧形状和CP三角高程网络结果的单侧形状进行全站仪的三维自由站测量，其精度较高。站点的调整可以满足高速铁路规范的精度要求。

4  结语

通过对单侧控制网（CPⅢ）的网络设计和测量方法的研究，以及单侧控制网（CPⅢ）的测量数据的计算实验和精度统计分析，认为CPⅢ单侧控制网（CPⅢ）是平面网和CPⅢ三角高程网络的精度可以满足高速铁路的精度要求。最后，利用单侧平面网络CPⅢ的结果和三角CPⅢ的单边高程网络的结果，进行了全站仪三维自由设站的计算实验和精度统计分析，验证了它们的3个自由站的三维精度也可以满足高铁精度的要求。

参考文献

[1] 王欢. 铁路轨道控制网（CPⅢ）测量及其数据处理新技术研究[D].成都：西南交通大学，2019.

[2] 姜雄基. 铁路轨道控制测量方法应用比较分析[D].大连：大连交通大学，2017.

[3] 许双安.拉林铁路巴玉隧道施工控制测量及精度分析[J].高速铁路技术，2020，11（5）：57-62.

[4] 金国清.北斗导航卫星系统在铁路控制测量中的应用研究[J].铁道建筑技术，2020（2）：14-18.

[5] 王思锴，李冠，马全明，等.电离层误差对城市轨道交通GPS控制网测量精度的影响分析[J].测绘通报，2017（1）：102-105.

[6] 潘正风.高速铁路轨道平面控制网（CPⅢ）测量原理的探讨[J].测绘通报，2016（8）：44-46.