摘要：国高速铁路精密工程测量技术体系的完善，要依靠相应精密工程测量技术的创新发展才能实现。我国建立GPS高铁测量控制网后，铁路测量精度将大大提高，整个作业过程将更加系统化、规范化，该技术也将在客运专线轨道铁路的勘测设计以及施工、运营等环节起到至关重要的作用，特别是对于保障客运轨道的高精度、高平顺性等方面将发挥更大的效能。
关键词：高速铁路；轨道控制网；精密测量；数据处理
1 轨道控制网概述
轨道控制网(CPIII)，是沿线路布设的平面和高程共点三维控制网，平面起闭于基础平面控制网(CPI)或线路平面控制网(CPII)，高程起闭于线路水准基点，一般在线下工程施工完成后进行施测，是轨道铺设和运营维护的基准。CPIII网点的布设密度为：纵向点间距为50～60 m，横向点间距为10～20 m；CPIII平面网测量的方法是自由测站边角交会法，自由测站间的间距为60 m或120 m；CPIII平面网的观测值主要是测站至各CPIII点的距离和方向观测值，因此CPIII平面网实质上就是自由测站边角交会网。
2 铁路控制网建立流程
2.1传统铁路工程测量方法及特点
以往，我国铁路建设的速度目标值比较低，轨道平顺性、可靠性等指标的控制基准也比较低，主要参照线下工程施工控制指标来整体把控各级控制网的测控精度，并未考虑轨道施工到后续运营对测量控制网的精度要求。传统铁路工程测量基本包括初测（初测导线、初测水准）、定测（交点、直线、曲线控制桩）、线下工程施工测量（以定测控制作为施工测量居基准）和铺轨测量（穿线法、弦线支距法或偏角法测量）四个方面。传统工程测量方法的主要特点有：平而坐标系投影误差大；勘测和施工放线的操作仍以坐标定位法为主，鲜少涉及全站仪、GPS等新型测量技术；未使用逐级控制法构建基线控制网，线路测量可重复性较差；中线控制桩接连丢失，恢复起来比较困难；测量精度低：导线测角中误差12.5″、方位角闭合差25″；全长相对闭合差：1/6000；施工单值复测常常面临曲线偏角超限的问题；调整设计偏角要同时变更线形，施工难度大；轨道按照线下工程的施工现状采用相对定位进行敷设，而不是以控制网为基准按照设计的坐标定位敷设，极易出现测量误差。当测量误差累积到一定程度后会导致轨道的几何参数偏离设计值。
2.2轨道控制网的建立
轨道控制网的布设沿线路方向两侧，每隔约60～75 m左右成对布设轨道控制点，每对轨道控制点的间距约为15 m，沿线路方向每隔200 m左右在线路中间采用自由设站法观测设站点，前后各3对轨道控制点。沿线路方向每隔500 m左右，在线路旁边的转点上采用自由设站法，将离设站点最近的2—3个轨道控制点与事先布设的上一级精密控制点进行联测。注意在测量过程中，尽可能地也在精密控制点上安置全站仪观测其它的精密控制点，以便得到方位约束条件。自由站点不需要设置标志，只需整平全站仪进行观测，轨道控制点只能安置棱镜，且强制对中。
3 关键算法及其相关理论
3.1粗差探测与剔除
CPⅢ网数据采集量大，在大量的野外数据观测中难免出现粗差，粗差的存在会对最小二乘平差参数估计带来严重的影响和扭曲，因此，粗差的探测与剔除是CPⅢ网数据处理中必不可少的环节。本文中粗差的探测与剔除采用“多维粗差定位定值算法—LEGE”，不仅能确定多个粗差出现的位置，而且可以同时求得各个粗差的数值大小，从而达到剔除粗差、修复观测值的目的。LEGE是基于在观测值向量含有粗差的情况下，平差的验后单位权中误差会明显偏大，若能解算出全部粗差并以此修正相应的观测值，重新进行平差，则验后单位权中误差将显著减小。若能部分地解算出粗差并作修正，则较修正前，验后单位权中误差也将有所减小，但其减小程度不如前一种情况。
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3.2近似坐标推算
假设第一个自由测站(n=1)的坐标为(0，0，0)，第一个观测CPⅢ点的方向为起始方向，其观测斜距和天顶距作为已知值，即可算出该CPⅢ点的坐标值，一共两个点的坐标作为起算数据；CPⅢ网外业观测时，相邻两个测站之间的公共观测点至少为4个点(在始末位置)，大多时候都为8个公共点。在计算下一个测站点(n=2)的坐标时，可以利用这些公共点的坐标，利用自由设站的原理计算测站点的坐标，然后进行七参数转换，用已求得三维近似坐标的公共点求解未知点三维坐标；以此类推，重复(1)、(2)，直到所有测站点和CPⅢ点的概略坐标都计算出来，结束概略坐标的推算。
3.3方差分量估计
合理的随机模型是高精度测量中获取正确平差结果的前提，错误的随机模型将导致参数估计的结果失真，评定的精度也不可靠。轨道铁路施工测量中要求轨道控制网CPⅢ的相邻点之间的相对精度优于1mm，对于此类精度要求极高的精密工程测量，合理的评定精度是保证施工安全的必要手段，Helmert方差分量估计是合理确定不同类型观测值权比的常用方法，此方法在平差中客观、合理地估计了CPⅢ网的边角观测权，得到了正确的参数估计和可靠的精度评定指标。
3.4分区平差
CPⅢ网一般平差段落较长、包含的CPⅢ点数和边角观测值较多，解算规模十分庞大，因此，法方程的解算方法及速度显得非常重要。针对CPⅢ网规模较大且易于分区的特点，采用Helmert分区平差方法对其进行分区解算，从而提高平差计算效能。Helmert分区平差法的基本原理为：通过点号的适当编排，利用若干个公共点将控制网分为若干个分区，每个分区的误差方程式中除了本分区内的未知数外，仅有公共点上的未知数，于是可以每个分区单独组成法方程式，用消元法消去分区内的未知数，剩下仅含公共点未知数的约化方程，然后将各分区约化方程相加，得到全区公共点的法方程(总法方程)。由总法方程首先解算出分界点的未知数，最后将公共点未知数代入各分区法方程，解算出全部点的未知数。
4 数据处理分析
4.1框架控制网数据处理方案
CP0控制网属于中长基线GPS网，其基线解算方案的选择至关重要。考虑到卫星星历误差、对流层折射误差、基准点初始误差等干扰因素，需要使用高精度的解算软件来解算分析基线向量。GAMIT是开源免费软件，目前它已在国内广泛推行，在施工及运营环节，为了确保该软件能够与其他铁路线顺利衔接，并且使对框架基准的复测维护更加便捷，采用以下解算方案进行CP0基线解算：通过IGS提供的事后最终精密星历，结合轨道参数的先验精度对解算过程加以约束。
4.2轨道控制网数据处理与质量控制
采用Baarda粗差探测与剔除方法剔除粗差；采用Helmert方差分量估计合理地确定边、角观测值的权比，确定外业观测数据的真实随机模型；采用拟稳平差选择兼容的起算点；将方差分量估计后的边、角观测值的中误差作为先验值、重新引入稳定的起算点、进行平差计算，得到轨道控制点坐标。
结束语
Helmert分区平差的思想可应用于CPⅢ秩亏自由网平差和约束网平差，对法方程系数阵进行一定的压缩存储并对法方程采用合理的解算方法，可显著提高平差计算效能，对CPⅢ网测距边长进行两化改正，可消除实测边长与相应高斯平面边长尺度不一致产生的系统误差对平差结果的影响，对于处于投影带边缘或实测高程面与设计抵偿高程面差异较大的情况必须在平差前进行两化改正。
参考文献
[1]刘小军.高速铁路CPⅢ平面控制网测量数据处理方法的研究[D].昆明理工大学,2014.
[2]耿文燕.无砟轨道CPⅢ控制网精算方法及数据处理研究[D].兰州交通大学,2014.
[3]李小胆.CPⅢ平面控制网平差模型的可区分性及其平顺性分析[D].西南交通大学,2014.
论文作者:苏文兴
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/15
标签：轨道论文; 测量论文; 误差论文; 坐标论文; 精密论文; 精度论文; 数据处理论文; 《基层建设》2017年第24期论文;