高速鐵路控制網(wǎng)測量技術及數(shù)據(jù)處理方法研究

張亮

摘要： 目前，隨著高速鐵路建設的快速發(fā)展，對工程測量技術的精度要求也越來越高，工程測量控制網(wǎng)為平面測量提供起算基準，高精度的基準控制網(wǎng)是保證高速鐵路成功建設的關鍵技術之一。為滿足高速鐵路的安全性要求，本文利用GPS建立高鐵CP0、CPI、CPII控制網(wǎng)，并對三級平面控制網(wǎng)的布設原則及觀測方法進行分析研究，然后基于GAMIT軟件，提出了框架控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中基線解算的方案。在此基礎上盡量消除基線解算誤差，選擇科學的解算軟件和解算方案，以及基線網(wǎng)平差等方面提出一些原則和方法，來提高基線解算的可靠性和精度，進而提高框架控制網(wǎng)的精度，為平面測量提供精準可靠的起算依據(jù)。

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.

關鍵詞： 高速鐵路；GPS；控制網(wǎng)測量；數(shù)據(jù)處理；基線解算

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

中圖分類號：U212.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0129-03

0 引言

高速鐵路客運列車的行駛速度一般在250～350km/h，就目前的鐵路客運系統(tǒng)來說，這已是一個相當快的行進速度。乘客的人身安全以及乘坐時的舒適度主要取決于高速鐵路是否平順、穩(wěn)定。因此，必須將高速鐵路集合線性參數(shù)的精度誤差控制在毫米級的范圍內(nèi)。目前國內(nèi)傳統(tǒng)的鐵路工程測量技術在測控精度方面遠未達到這點要求。全新的工程測量技術和測量方法將在這方面發(fā)揮至關重要的作用。

自2009年12月1日起正式實施的TB10601-2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》，明確規(guī)定高速鐵路工程測量平面控制網(wǎng)，必須基于CP0框架控制網(wǎng)進行基礎平面控制網(wǎng)CPI，線路平面控制網(wǎng)CPII、軌道控制網(wǎng)CPIII三級布網(wǎng)片[1]。CP0控制網(wǎng)中各控制點之間一般相距一數(shù)十公里或數(shù)千公里，與國際全球?qū)Ш叫l(wèi)星服務組織（IGS）跟蹤站相距數(shù)百公里或數(shù)千公里，是典型的GPS長基線控制網(wǎng)。本文對高鐵CP0、CPI、CPII控制網(wǎng)的建立做出分析，并在此基礎上對CP0框架控制網(wǎng)的基線解算方法做出研究，保證基線解算結(jié)果的可靠性，提高控制網(wǎng)精度。

1 鐵路控制網(wǎng)建立流程

1.1 傳統(tǒng)鐵路工程測量方法及特點

以往，我國鐵路建設的速度目標值比較低，軌道平順性、可靠性等指標的控制基準也比較低，并且勘測和施工時也缺少一套完整的測量控制系統(tǒng)作為保證，主要參照線下工程施工控制指標來整體把控各級控制網(wǎng)的測控精度，并未考慮軌道施工到后續(xù)運營對測量控制網(wǎng)的精度要求[2]。傳統(tǒng)鐵路工程測量基本包括初測（初測導線、初測水準）、定測（交點、直線、曲線控制樁）、線下工程施工測量（以定測控制作為施工測量居基準）和鋪軌測量（穿線法、弦線支距法或偏角法測量）四個方面。

傳統(tǒng)工程測量方法的主要特點有：

①平而坐標系投影誤差大；

②勘測和施工放線的操作仍以坐標定位法為主，鮮少涉及全站儀、GPS等新型測量技術；

③未使用逐級控制法構(gòu)建基線控制網(wǎng)，線路測量可重復性較差；中線控制樁接連丟失，恢復起來比較困難；

④測量精度低：導線測角中誤差12.5″、方位角閉合差25″；全長相對閉合差：1/6000；施工單值復測常常面臨曲線偏角超限的問題；調(diào)整設計偏角要同時變更線形，施工難度大；

⑤軌道按照線下工程的施工現(xiàn)狀采用相對定位進行敷設，而不是以控制網(wǎng)為基準按照設計的坐標定位敷設，極易出現(xiàn)測量誤差。當測量誤差累積到一定程度后會導致軌道的幾何參數(shù)偏離設計值。

1.2 高速鐵路工程測量流程及特點

高速鐵路精密工程測量主要包含以下特點：

一是確定了高速鐵路精密工程測量“三網(wǎng)合一”測量體系：勘測控制網(wǎng)CPI、CPⅡ、準基點構(gòu)成；施工控制網(wǎng)CPI、CPU、水準基點、CPⅢ；運營維護控制網(wǎng)：CPⅢ、加密維護基樁。并提出技術標準：勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)坐標高程系統(tǒng)的統(tǒng)一；勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)起算基準的統(tǒng)一；勘測控制網(wǎng)、施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)測量精度的協(xié)調(diào)統(tǒng)一；線下工程施工控制網(wǎng)與軌道施工控制網(wǎng)、運營維護控制網(wǎng)的坐標高程系統(tǒng)和起算基準的統(tǒng)一。二是確定了高速鐵路工程平面控制測量分三級布網(wǎng)的布設原則。三是建立了以“邊長投影變形值≤l0mm/km（無砟）/25mm/km（有砟）”為主的高速鐵路工程測量平面坐標系統(tǒng)獨立坐標系；四是提出高速鐵路軌道定位模式——絕對定位與相對定位測量相結(jié)合的鋪軌測量定位模式；五是確定了高速無道鐵路工程測量高程控制網(wǎng)的精度等級；六是在測量任務結(jié)束后，建設單位應該組織相關專家按照規(guī)定的指標進行評估驗收。

2 構(gòu)建CP0、CPI、CPII控制網(wǎng)

2.1 高速鐵路控制網(wǎng)主要技術標準

高速鐵路工程平面控制測量的整體布置必須符合逐級測控的要求，在測量過程中要根據(jù)表1嚴格控制各級平面控制網(wǎng)的測量參數(shù)。高速鐵路三級平面控制網(wǎng)之間的相互關系如圖2所示。

2.2 框架（CP0）控制網(wǎng)的建立

在初測前，應該通過GPS測量方法構(gòu)建CP0控制網(wǎng)，全線統(tǒng)一施測，一次性布網(wǎng)，整體平差。CP0控制網(wǎng)與IGS參考站或國家A、B級GPS點，全線最少有2個分布均勻的已知聯(lián)測站點[3]。

①對CP0控制網(wǎng)點位的觀測應持續(xù)8～10h。②測量前，按技術規(guī)程校驗測量儀器。對中設備采用精密對點器，對中精度小于1mm，在作業(yè)環(huán)節(jié)必須校驗基座水準器，以使其保持良好的應用狀態(tài)。③采用多臺GPS接收機同步進行靜態(tài)觀測，按照提前設定的時間同步觀測。④CP0分四個時段同步觀測，每一時段觀測時間至少達到3h。⑤按要求應該確保至少有4顆衛(wèi)星同步觀測，衛(wèi)星高度角為15°，每15s進行一次數(shù)據(jù)采樣。⑥在各時段觀測前后分別測量天線高，當測量誤差達到2mm以內(nèi)時取兩次測量數(shù)據(jù)的平均值計為每一時段的實測結(jié)果。完成一整個時段的觀測任務后，校準對中整平儀器，然后進入下一時段的觀測[4]。

2.3 構(gòu)建基礎平面（CPI）控制網(wǎng)

建議在初測環(huán)節(jié)通過統(tǒng)一測量建立起CPI控制網(wǎng)，而且要保證全線一次布網(wǎng)，整體平差。CPI控制網(wǎng)應聯(lián)測CP0控制網(wǎng)。為了防治控制網(wǎng)遭到破壞，應該選在測量方便、不宜被干擾且相對穩(wěn)定的位置布置控制網(wǎng)，特別是要保證控制網(wǎng)中心50～1000m的半徑內(nèi)不得存在干擾因素；根據(jù)隧道、橋梁等大型建筑物的點位設計要求科學地選擇點位。CPI需要通過邊聯(lián)結(jié)的形式建網(wǎng)，形成三角形或四邊形的帶狀網(wǎng)。在具體操作中，首先確定線路勘測的起始點和終點兩個點位，應確保相互重合CPI控制點至少超過2個，并且勘測所得的數(shù)據(jù)應該能體現(xiàn)出控制點之間的相互關系。

①CPI控制網(wǎng)各點位的觀測時間要達到3～4h。②勘測和建網(wǎng)前先校驗儀器。對中設備采用精密對點器，對中精度保證在1 mm以內(nèi)。③多臺GPS接收機按照設定好的時間同步進行靜態(tài)觀測。④CPI同步觀測時段數(shù)為2，每時段觀測不少于120 min。

2.4 線路平面（CPII）控制網(wǎng)的建立

CPII控制網(wǎng)宜在定測階段完成。CPII的建網(wǎng)觀測要求與CPI基本一致，但是也存在以下幾點區(qū)別：①CPII同步觀測1時段，觀測時間至少應該達到1h。②CPII控制網(wǎng)需要與點位和坐標穩(wěn)定、精準的CPI點聯(lián)測，各聯(lián)測控制點共同組成了鐵路三等GPS監(jiān)測網(wǎng)。③CPII控制網(wǎng)在復測環(huán)節(jié)，CPII控制點必須獨立建網(wǎng)進行觀測。

3 框架（CP0）控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法研究

框架控制網(wǎng)（CP0）作為高速鐵路平面控制測量的起算基準，必須確保其具有較高的精度，并且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。實際工況下有很多因素會對CP0定位精度造成干擾，若不加以控制，就會導致定位結(jié)果出現(xiàn)很大的誤差，也就達不到規(guī)定的定位精度。本文采用GAMIT軟件，選擇合適的數(shù)據(jù)處理方案，對CP0控制網(wǎng)進行基線解算。

3.1 影響因素分析

基線解算時應根據(jù)網(wǎng)尺度的大小、基線的長短來決定采用哪種星歷。為進一步控制星歷誤差對基線解算的干擾作用，建議根據(jù)IGS綜合最終星歷進行解算。鑒于最終星歷的滯后時間長達11d，如果時間上達不到解算要求，可將其替換成IGR快速星歷[5]。另外，處理基線的過程中應該對星歷誤差對基線的干擾作用加以考慮，同時盡量采用強約束、高精度的地面基準站坐標進行基線解算，在解算的過程中適時運用松弛軌道的方案來控制衛(wèi)星軌道誤差。

對流層折射誤差會對定位精度以及模糊度解算過程造成干擾。為了盡量規(guī)避對流層折射誤差的干擾，在解算分析CP0基線的過程中，應該對對流程折射誤差的修正精度進行重點考慮。首先要科學地選擇天頂對流層延遲模型和映射函數(shù)，其次要大概估測天頂對流層濕延遲參數(shù)。滿足這兩點要求后通常能保證修整精度。

解算分析CP0框架控制網(wǎng)基線的起算點應該選擇CGCS2000國家點或IGS參考站。如果所選的起算點坐標缺少兼容性或者存在誤差，通常會導致CP0框架控制網(wǎng)基線向量解產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當CP0框架控制網(wǎng)基線向量在系統(tǒng)性旋轉(zhuǎn)以及尺度調(diào)整時，一般會出現(xiàn)這類誤差。

3.2 框架控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方案

CP0控制網(wǎng)屬于中長基線GPS網(wǎng)，其基線解算方案的選擇至關重要?？紤]到衛(wèi)星星歷誤差、對流層折射誤差、基準點初始誤差等干擾因素，需要使用高精度的解算軟件來解算分析基線向量[6]。GAMIT是開源免費軟件，目前它已在國內(nèi)廣泛推行，在施工及運營環(huán)節(jié)，為了確保該軟件能夠與其他鐵路線順利銜接，并且使對框架基準的復測維護更加便捷，本文將應用GAMIT10.6軟件，采用以下解算方案進行CP0基線解算：

通過IGS提供的事后最終精密星歷，結(jié)合軌道參數(shù)的先驗精度對解算過程加以約束。

①解算模型使用RELAX.松弛解，并對衛(wèi)星軌道及測站坐標進行估算；②通過“1-ITER”解算模式完成測站坐標的一次迭代；③觀測量設為LC_HELP類型，即采用LC觀測值組合解算模糊度；④參照antmod.dat文件的設定值來修正衛(wèi)星及接收機的天線相位中心，修正時所用的天線模型為ELEV模型；⑤通過LC觀測值組合來消除電離層折射的干擾作用；⑥通過廣播星歷中的鐘差參數(shù)修正衛(wèi)星鐘差模型；⑦通過偽距觀測值經(jīng)運算得到接收機鐘差參數(shù)；⑧基于高度角對數(shù)據(jù)定權，Station Error = ELEVA-TION 10 5；⑨通過AUTCLN自動處理模式對周跳進行探測和修復；⑩修整測站施加地球固體潮、極潮、海潮以及大氣負荷潮等各種潮汐參數(shù)。

4 結(jié)論

國高速鐵路精密工程測量技術體系的完善要依靠相應精密工程測量技術的創(chuàng)新發(fā)展才能實現(xiàn)。精密工程測量技術的進步也為國內(nèi)大規(guī)模興建高速鐵路的施工活動提供了精密的技術標準。我國建立GPS高鐵測量控制網(wǎng)后，鐵路測量精度將大大提高，整個作業(yè)過程將更加系統(tǒng)化、規(guī)范化，該技術也將在客運專線軌道鐵路的勘測設計以及施工、運營等環(huán)節(jié)起到至關重要的作用，特別是對于保障客運軌道的高精度、高平順性等方面將發(fā)揮更大的效能。

本文結(jié)合CP0數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗，分析了CP0控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中基線解算的影響因素，并利用GAMIT對基線解算的方案進行研究分析。應使用當前最新的ITRF參考框架及其參考歷元下的IGS參考站坐標來解算分析CP0框架控制網(wǎng)基線，并且使用IGS發(fā)布的精密衛(wèi)星星歷，以確保地面基準站坐標與衛(wèi)星星歷的框架及歷元保持一致。另外，具有較高的精度和出色的兼容性的IGS基準站坐標，使基于GAMIT軟件的基線解算精度和可信度大大提高，進而保證高速鐵路的順利建設。

參考文獻：

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