高速鐵路控制網測量技術及數據處理方法研究

張亮

摘要： 目前，隨著高速鐵路建設的快速發展，對工程測量技術的精度要求也越來越高，工程測量控制網為平面測量提供起算基準，高精度的基準控制網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，并對三級平面控制網的布設原則及觀測方法進行分析研究，然后基于GAMIT軟件，提出了框架控制網數據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的精度，為平面測量提供精準可靠的起算依據。

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；控制網測量；數據處理；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、穩定。因此，必須將高速鐵路集合線性參數的精度誤差控制在毫米級的范圍內。目前國內傳統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范》，明確規定高速鐵路工程測量平面控制網，必須基于CP0框架控制網進行基礎平面控制網CPI，線路平面控制網CPII、軌道控制網CPIII三級布網片[1]。CP0控制網中各控制點之間一般相距一數十公里或數千公里，與國際全球導航衛星服務組織（IGS）跟蹤站相距數百公里或數千公里，是典型的GPS長基線控制網。本文對高鐵CP0、CPI、CPII控制網的建立做出分析，并在此基礎上對CP0框架控制網的基線解算方法做出研究，保證基線解算結果的可靠性，提高控制網精度。

1 鐵路控制網建立流程

1.1 傳統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的測控精度，并未考慮軌道施工到后續運營對測量控制網的精度要求[2]。傳統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建基線控制網，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狀采用相對定位進行敷設，而不是以控制網為基準按照設計的坐標定位敷設，極易出現測量誤差。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“三網合一”測量體系：勘測控制網CPI、CPⅡ、準基點構成；施工控制網CPI、CPU、水準基點、CPⅢ；運營維護控制網：CPⅢ、加密維護基樁。并提出技術標準：勘測控制網、施工控制網、運營維護控制網坐標高程系統的統一；勘測控制網、施工控制網、運營維護控制網起算基準的統一；勘測控制網、施工控制網、運營維護控制網測量精度的協調統一；線下工程施工控制網與軌道施工控制網、運營維護控制網的坐標高程系統和起算基準的統一。二是確定了高速鐵路工程平面控制測量分三級布網的布設原則。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的精度等級；六是在測量任務結束后，建設單位應該組織相關專家按照規定的指標進行評估驗收。

2 構建CP0、CPI、CPII控制網

2.1 高速鐵路控制網主要技術標準

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表1嚴格控制各級平面控制網的測量參數。高速鐵路三級平面控制網之間的相互關系如圖2所示。

2.2 框架（CP0）控制網的建立

在初測前，應該通過GPS測量方法構建CP0控制網，全線統一施測，一次性布網，整體平差。CP0控制網與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測站點[3]。

①對CP0控制網點位的觀測應持續8～10h。②測量前，按技術規程校驗測量儀器。對中設備采用精密對點器，對中精度小于1mm，在作業環節必須校驗基座水準器，以使其保持良好的應用狀態。③采用多臺GPS接收機同步進行靜態觀測，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顆衛星同步觀測，衛星高度角為15°，每15s進行一次數據采樣。⑥在各時段觀測前后分別測量天線高，當測量誤差達到2mm以內時取兩次測量數據的平均值計為每一時段的實測結果。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 構建基礎平面（CPI）控制網

建議在初測環節通過統一測量建立起CPI控制網，而且要保證全線一次布網，整體平差。CPI控制網應聯測CP0控制網。為了防治控制網遭到破壞，應該選在測量方便、不宜被干擾且相對穩定的位置布置控制網，特別是要保證控制網中心50～1000m的半徑內不得存在干擾因素；根據隧道、橋梁等大型建筑物的點位設計要求科學地選擇點位。CPI需要通過邊聯結的形式建網，形成三角形或四邊形的帶狀網。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，并且勘測所得的數據應該能體現出控制點之間的相互關系。

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

2.4 線路平面（CPII）控制網的建立

CPII控制網宜在定測階段完成。CPII的建網觀測要求與CPI基本一致，但是也存在以下幾點區別：①CPII同步觀測1時段，觀測時間至少應該達到1h。②CPII控制網需要與點位和坐標穩定、精準的CPI點聯測，各聯測控制點共同組成了鐵路三等GPS監測網。③CPII控制網在復測環節，CPII控制點必須獨立建網進行觀測。

3 框架（CP0）控制網數據處理方法研究

框架控制網（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，并且系統穩定可靠。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，就會導致定位結果出現很大的誤差，也就達不到規定的定位精度。本文采用GAMIT軟件，選擇合適的數據處理方案，對CP0控制網進行基線解算。

3.1 影響因素分析

基線解算時應根據網尺度的大小、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，其次要大概估測天頂對流層濕延遲參數。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框架控制網基線向量解產生系統性誤差。通過試驗發現，當CP0框架控制網基線向量在系統性旋轉以及尺度調整時，一般會出現這類誤差。

3.2 框架控制網數據處理方案

CP0控制網屬于中長基線GPS網，其基線解算方案的選擇至關重要。考慮到衛星星歷誤差、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，目前它已在國內廣泛推行，在施工及運營環節，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，結合軌道參數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修正衛星鐘差模型；⑦通過偽距觀測值經運算得到接收機鐘差參數；⑧基于高度角對數據定權，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。

4 結論

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新發展才能實現。精密工程測量技術的進步也為國內大規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高鐵測量控制網后，鐵路測量精度將大大提高，整個作業過程將更加系統化、規范化，該技術也將在客運專線軌道鐵路的勘測設計以及施工、運營等環節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揮更大的效能。

本文結合CP0數據處理的經驗，分析了CP0控制網數據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框架控制網基線，并且使用IGS發布的精密衛星星歷，以確保地面基準站坐標與衛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：

[1]高淑照，魏涌.高速鐵路框架控制網閉合環檢驗方法研究[J].鐵道建筑，2013（8）：119-122.

[2]李世平，武文波.GPS在建立高速鐵路控制網中的應用[J].遼寧工程技術大學學報，2012（5）：782-785.

[3]王長進.高速鐵路精測網建設有關問題的探討[J].鐵道工程學報，2007（12-S）：46-47.

[4]張國強.GPS定位技術在精密工程測量中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，29（2）：42-45.

[5]石德斌，王長進，李博峰.高速鐵路軌道控制網測量和數據處理探討[J].鐵道工程學報，2009（4）：26-30.

[6]周東衛.高速鐵路CP0框架控制網數據處理模式與方法研究[J].鐵道標準設計，2015（3）：11-16.