使用GNSS進(jìn)行高鐵精密工程平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)
——以新建鐵路北京至唐山鐵路為例

陳建科謝忠俍

（1.華東冶金地質(zhì)勘查局物探隊(duì)，安徽 蕪湖 241009；2.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099）

0 引言

目前，中國高速鐵路營運(yùn)速度為250～350 km/h，軌道的平順狀態(tài)是影響高鐵安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素［1］。然而，在外力的作用下軌道不可避免地發(fā)生位移和形變。因此，對(duì)軌道定期進(jìn)行精測(cè)精調(diào)就顯得十分重要［2］。軌道精測(cè)精調(diào)工作能否順利開展，前提是要保障作為施工和軌道精調(diào)的測(cè)量控制網(wǎng)的高速鐵路精密控制網(wǎng)的精度穩(wěn)定性，而定期對(duì)精密控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)是保證控制網(wǎng)精度的必要條件［3］。

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，鐵路控制的測(cè)量方法和技術(shù)也在不斷提高。GNSS具有全天候、高精度、高效益，以及無須通視、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，可有效獲取控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)，從而被廣泛用于新建鐵路設(shè)計(jì)施工和后期營運(yùn)監(jiān)測(cè)中［4］。筆者對(duì)GNSS技術(shù)在高鐵精密控制網(wǎng)復(fù)測(cè)中的精度可靠性進(jìn)行研究。

1 工程概況

京唐鐵路西起北京市，東至河北省唐山市，地處首都半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈，位于華北和東北兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)之間。該鐵路由北京市北京站出發(fā)，沿途經(jīng)北京市通州區(qū)、河北省香河縣、天津市寶坻區(qū)、河北省玉田縣，最終到達(dá)河北省唐山市唐山站。該線路正線全長為147.825 km，沿線地區(qū)土壤最大凍土深度分別為：北京地區(qū)80 cm、廊坊地區(qū)69 cm、天津地區(qū)60 cm、唐山地區(qū)111 cm。本研究主要對(duì)全線47個(gè)CPⅠ點(diǎn)（其中含聯(lián)測(cè)國家A/B級(jí)GNSS點(diǎn)4個(gè)）、167個(gè)CPⅡ點(diǎn)（不含聯(lián)測(cè)的CPⅠ點(diǎn)）的點(diǎn)位進(jìn)行核查，掌握樁點(diǎn)的丟失和破壞情況，并根據(jù)具體情況和施工的具體要求對(duì)已丟失和被破壞的控制點(diǎn)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)超限點(diǎn)進(jìn)行成果更新，保持整網(wǎng)成果的現(xiàn)勢(shì)性和完整性，從而滿足后續(xù)施工的使用需求。

2 平面網(wǎng)復(fù)測(cè)原則

為了滿足京唐鐵路的施工需求，根據(jù)全線路基、橋梁等線下工程施工及無砟軌道施工對(duì)工程測(cè)量精度的要求，按照分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則，對(duì)已丟失和被破壞的控制點(diǎn)按照原建網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行恢復(fù)和補(bǔ)設(shè)，對(duì)使用過程中發(fā)現(xiàn)觀測(cè)條件差的點(diǎn)位，以及不利于復(fù)測(cè)利用等的部分點(diǎn)進(jìn)行移設(shè)。在國家A/B級(jí)GNSS點(diǎn)和CP0點(diǎn)的基礎(chǔ)上，同網(wǎng)形、同精度復(fù)測(cè)CPⅠ、CPⅡ平面控制網(wǎng)，對(duì)補(bǔ)設(shè)點(diǎn)和超限點(diǎn)采用同精度內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)算和更新成果，并保持全線控制網(wǎng)的完整性和現(xiàn)勢(shì)性［5］。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，京唐鐵路段平面控制網(wǎng)共補(bǔ)設(shè)CPⅠ控制點(diǎn)3個(gè)、CPⅡ控制點(diǎn)10個(gè)。補(bǔ)設(shè)的點(diǎn)總體上要保持上一次的測(cè)量網(wǎng)形，對(duì)丟失的控制點(diǎn)，核實(shí)附近施工單位加密點(diǎn)的埋樁深度及形狀規(guī)格、樁面美觀程度，對(duì)滿足要求的點(diǎn)加以利用，對(duì)不能利用的點(diǎn)，則按照重新埋設(shè)的技術(shù)要求進(jìn)行執(zhí)行。對(duì)新補(bǔ)點(diǎn)要統(tǒng)一在原點(diǎn)號(hào)后順延一個(gè)字母，新埋設(shè)點(diǎn)按照《新建鐵路北京至唐山鐵路精密工程控制測(cè)量技術(shù)方案》中的有關(guān)要求進(jìn)行點(diǎn)之記繪制，并繪制出word形式的電子圖。對(duì)新埋設(shè)的點(diǎn)進(jìn)行拍照核實(shí)，并對(duì)已破壞的點(diǎn)進(jìn)行妥善處理，從而確保后續(xù)施工測(cè)量采用新點(diǎn)，杜絕出現(xiàn)使用錯(cuò)點(diǎn)的情況。

3 平面網(wǎng)施測(cè)

本研究采用天寶公司生產(chǎn)的Trimble R8/R10雙頻GNSS接收機(jī)對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)測(cè)，標(biāo)稱精度均優(yōu)于±（5 mm+1 ppm×D），所使用的GNSS接收機(jī)均經(jīng)測(cè)繪儀器計(jì)量定點(diǎn)單位檢定合格，并在有效期內(nèi)。CPⅠ級(jí)控制網(wǎng)（見圖1）按二等GNSS網(wǎng)的要求進(jìn)行施測(cè)，采用邊連接方式進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)，沿線與國家A/B級(jí)點(diǎn)和CP0點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，測(cè)量的網(wǎng)形要盡量保持原建網(wǎng)的網(wǎng)形。CPⅡ級(jí)控制網(wǎng)（見圖2）是在CPⅠ基礎(chǔ)上，采用三等GNSS網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量網(wǎng)形也要盡量保持原建網(wǎng)的網(wǎng)形，采用邊連接的方式進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，從而形成由三角形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)，并與CPⅠ聯(lián)測(cè)構(gòu)成附合網(wǎng)，并保證每個(gè)點(diǎn)都有足夠的重復(fù)設(shè)站次數(shù)［6］。

圖1 北京至唐山鐵路精密工程控制測(cè)量部分CPI網(wǎng)形圖

圖2 北京至唐山鐵路精密工程控制測(cè)量部分CPII網(wǎng)形圖

具體施測(cè)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 各級(jí)GNSS測(cè)量作業(yè)的基本技術(shù)要求

作業(yè)過程中，儀器的中誤差均小于1 mm，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)前后各測(cè)量天線高一次，兩次較差值要小于2 mm，并取均值作為最后成果；觀測(cè)時(shí)要用電子手簿來自動(dòng)記錄點(diǎn)號(hào)和天線高，同時(shí)認(rèn)真填寫靜態(tài)觀測(cè)手簿。在觀測(cè)過程中，要保證天線附近50 m內(nèi)未使用電臺(tái)、10 m內(nèi)未使用對(duì)講機(jī)。在任一時(shí)段觀測(cè)過程中未進(jìn)行接收機(jī)關(guān)閉又重新啟動(dòng)、自測(cè)試、改變衛(wèi)星仰角限、改變數(shù)據(jù)采樣間隔、按動(dòng)關(guān)閉文件和刪除文件按鈕等操作。

4 成果處理

本研究的平面控制網(wǎng)基線向量解算采用廣播星歷和商用軟件，為保證數(shù)據(jù)的一致性，統(tǒng)一使用商用軟件LGO7.0進(jìn)行基線解算，解算設(shè)置采用軟件系統(tǒng)推薦的系統(tǒng)缺省值（見表2）。平面控制網(wǎng)平差使用同濟(jì)大學(xué)測(cè)量系研制的TGPPS軟件進(jìn)行計(jì)算。先將CPⅠ和CPⅡ原始觀測(cè)文件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RINEX文件，并在完成點(diǎn)號(hào)、天線量高方式、天線高復(fù)核后進(jìn)行基線解算［7］。對(duì)CPⅠ、CPⅡ復(fù)測(cè)基線進(jìn)行平差計(jì)算，并檢查各項(xiàng)精度指標(biāo)（基線較差、最小獨(dú)立環(huán)閉合差、無約束平差基線向量各分量改正數(shù)的絕對(duì)值、相鄰點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)位中誤差、基線邊方向中誤差、最弱邊相對(duì)中誤差、約束平差基線向量各分量改正數(shù)與無約束平差同名基線改正數(shù)較差的絕對(duì)值）是否滿足規(guī)范要求。

表2 基線質(zhì)量檢驗(yàn)限差表

中誤差σ的計(jì)算公式見式（1）。

式中：σ為中誤差，mm；d為相鄰點(diǎn)間距離，km；a取值為5 mm；b取值為1 mm/km。

在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)基線質(zhì)量不符合要求或環(huán)閉合差超限的要進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，在環(huán)閉合差與無約束平差指標(biāo)都通過后進(jìn)行約束平差，平差后各項(xiàng)指標(biāo)均滿足表3中的要求。

表3 GNSS復(fù)測(cè)精度指標(biāo)

本研究中的復(fù)測(cè)是對(duì)部分基線進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查的基線均滿足限差要求。CPⅠ復(fù)測(cè)整網(wǎng)平差，以聯(lián)測(cè)的國家A/B級(jí)控制點(diǎn)（CP0點(diǎn)）、穩(wěn)定的CPⅠ點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算。在進(jìn)行平差計(jì)算前，要對(duì)CP0起算點(diǎn)的兼容性進(jìn)行分析。在起算點(diǎn)兼容性很好的前提下進(jìn)行平差處理，各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對(duì)比此次復(fù)測(cè)的CPⅠ計(jì)算坐標(biāo)與上次復(fù)測(cè)坐標(biāo)，按照相關(guān)要求，坐標(biāo)差要小于20 mm，當(dāng)相鄰CPⅠ點(diǎn)坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度小于1/130 000，則采用原成果；若超限，則采用同精度內(nèi)插法更新的CPⅠ控制點(diǎn)坐標(biāo)。其中，47個(gè)CPⅠ點(diǎn)（其中含聯(lián)測(cè)國家A/B級(jí)GNSS點(diǎn)4個(gè)）參與平差，平差結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)與既有測(cè)量成果相比的部分結(jié)果如表4所示。

表4 CPⅠ整網(wǎng)平差后部分復(fù)測(cè)坐標(biāo)及相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

CPⅡ數(shù)據(jù)處理方法及要求與CPⅠ基本相同，在完成基線解算、獨(dú)立環(huán)檢驗(yàn)合格后，以所有聯(lián)測(cè)的CPⅠ點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行平差計(jì)算，在各項(xiàng)指標(biāo)合格后，利用計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行復(fù)測(cè)，并與原測(cè)坐標(biāo)差和坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比此次復(fù)測(cè)CPⅡ計(jì)算坐標(biāo)與上次復(fù)測(cè)坐標(biāo)，按相關(guān)要求，坐標(biāo)差小于15 mm，且相鄰CPⅡ點(diǎn)坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度小于1/80 000，則采用原成果；若超限，則采用同精度內(nèi)插法更新CPⅡ控制點(diǎn)坐標(biāo)。對(duì)167個(gè)CPⅡ點(diǎn)（不含聯(lián)測(cè)的CPⅠ點(diǎn)）的點(diǎn)位進(jìn)行平差，平差結(jié)果坐標(biāo)點(diǎn)與既有測(cè)量成果相比的部分結(jié)果如表5所示。

表5 CPⅡ整網(wǎng)平差后部分復(fù)測(cè)坐標(biāo)及相鄰點(diǎn)間坐標(biāo)差之差的相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

通過GNSS技術(shù)完成的精密工程控制測(cè)量平面網(wǎng)復(fù)測(cè)成果的各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》（TB 10601—2009）中的要求，成果可滿足下階段施工需求［8］。對(duì)丟失、破壞或受干擾不能測(cè)量的控制點(diǎn)進(jìn)行移設(shè)或補(bǔ)設(shè)，并對(duì)新設(shè)點(diǎn)進(jìn)行同精度復(fù)測(cè)，從而保證控制網(wǎng)的完整性。對(duì)受外界干擾、原測(cè)與復(fù)測(cè)不符等造成成果超限的控制點(diǎn)進(jìn)行分析和成果修正，后續(xù)施工可采用本研究的成果。本研究的復(fù)測(cè)充分體現(xiàn)GNSS技術(shù)在高鐵精密工程平面控制網(wǎng)測(cè)量中的應(yīng)用價(jià)值，在滿足精度指標(biāo)的前提下，可高效率完成測(cè)量工作，同時(shí)還節(jié)省人力、節(jié)約成本。

在后期的工程應(yīng)用中，加強(qiáng)精密工程控制測(cè)量標(biāo)志的保護(hù)和復(fù)測(cè)，使用新成果前應(yīng)進(jìn)行同精度復(fù)測(cè)，成果無誤后再用于施工加密點(diǎn)的測(cè)量及后續(xù)施工上，并在使用過程中對(duì)成果進(jìn)行檢核，避免使用錯(cuò)成果和用錯(cuò)點(diǎn)位。對(duì)復(fù)測(cè)中不穩(wěn)定的點(diǎn)位，建議后續(xù)不再使用。