單側形式軌道控制網測量及其數據處理分析

郭剛

摘? 要：隨著我國大量高鐵的建設和運營，以及已經投入運營的原有鐵路，有必要開發和維護越來越多的軌道。當使用配備有專業且高精度測量設備的大型道路養護機械來保持線路狀態時，有必要使用軌道控制網絡（CPⅢ）作為定位參考。本文系統地研究了一種建立單面CPⅢ控制網絡的新方法，并對單面CPⅢ控制網絡測量數據的精度進行了統計分析和計算實驗。可以認為，CPⅢ平面網和CPⅢ三角高程網的精度可以滿足高鐵的相關精度要求。最后，通過三維自由站測量實驗和精確統計分析，驗證了在V形天窗中建立CPⅢ控制網絡的可行性。

關鍵詞：軌道控制網? 測量? 數據處理? 高程網

中圖分類號：U212.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，我國的高速鐵路（CPⅢ）控制網絡是將CPⅢ點成對地沿線方向埋在線的兩邊，然后用智能全站儀進行自由站角交會測量。在線的兩側分別測量了6對（總共12個）CPⅢ控制點[1]。但是，由于某些線路的檢修天窗是V形天窗，因此在檢修期間不允許進行跨線操作，并且只能在一條線上執行操作。傳統的點對方法不能使用。當V形天窗工作時，全站儀只能安裝在一條直線的中心線附近，以測量放置在該直線同一側CPⅢ控制點處的棱鏡[2]。因此，本文提出了一種單側建立跟蹤控制網絡（CPⅢ）的新方法，并對新網格的CPⅢ平面的網絡測量數據進行處理和分析，以驗證CPⅢ平面網絡的精度是否可以滿足要求。同時對新網進行CPⅢ三角高程網計算實驗，以檢查CPⅢ三角高程網的精度是否能滿足高軌速度的精度要求;最后，進行免費站點測量實驗及其精度統計分析，以驗證是否可行。

1? 單側形式軌道控制網（CPⅢ）的構網及測量方法

1.1 單側形式CPⅢ平面控制網網形設計

受禁止在V形天窗上進行交叉線操作的影響，CPⅢ控制網絡只能觀察線路一側的CPⅢ控制點，并建立一側的CPⅢ控制網絡。單面CPⅢ控制網絡平面測量也采用自由站轉角相交測量方法。智能全站儀靠近一條線的中線設置，最接近的6個在同一側（前3個，后3個）CPⅢ觀察控制點，相鄰自由站之間的距離通常約為120m，并且觀察到最遠的控制點CPⅢ的距離應不超過180m[3]。兩個相鄰的自由測量站在4個CPⅢ控制點處進行重疊測量，兩個隔開的自由測量站在兩個CPⅢ控制點處進行重疊測量，以確保每個CPⅢ控制點至少進行3次自由測量。如圖1所示，是單站CPIII控制網絡的平面測量網絡的示意圖，站點之間的距離為120m。對于單面CPⅢ控制網絡平面測量，應每大約600m共同測量同一側在線的加密點CPⅢ。在已知點進行聯合測量時，請確保至少有兩個自由站觀測到每個已知點，并且從自由站到已知點的觀測距離不應超過300m。

1.2 單側形式CPⅢ三角高程控制網網形設計

在進行單側形式CPⅢ三角高程測量時，每個CPⅢ控制點都有3個自由測站的斜距和豎直角觀測值，且每隔2對CPⅢ控制點布置一個自由測站點。因此，相鄰CPⅢ控制點之間的間接高差有兩個或3個的情況，即為同名高差。由于同名高差是由不同測站計算得到，其精度不一樣。因此，在進行同名高差合并計算時，應該采用加權平均法[4]。以相鄰4個CPⅢ控制點構成高差閉合環的方法，構建單側形式CPⅢ三角高程網。CPⅢ三角高程網應附合于線上加密水準點，每2km左右與加密水準點進行高程聯測。

2? 單側形式CPⅢ平面網數據的處理及其精度分析

筆者在某條高速鐵路上選取了一段2km多的線路進行計算實驗。在這段實驗線路上，首先按照常規點對形式對CPⅢ控制網進行觀測，然后按照本文所述單側形式對CPⅢ控制網的左線和右線分別進行觀測，接著對兩種網形數據分別進行平差處理，并對單側形式CPⅢ平面網和CPⅢ三角高程網平差后精度進行統計分析，最后對兩種網形的CPⅢ平面網平差結果和CPⅢ三角高程網平差結果分別進行比較分析。本段實驗線路上，選取了5個CPⅡ控制點作為兩種網形CPⅢ平面網的起算數據;點對形式CPⅢ三角高程網的起算數據有3對（共6個）CPⅢ控制點，分別位于線路里程的起始和中間處，而單側形式CPⅢ三角高程網的起算數據則選取了點對中位于同側的CPⅢ控制點。

2.1 自由網平差后精度統計分析

左線的單側形式CPⅢ平面網自由網平差后，其方向改正數最大值為-1.03″，小于規范要求的限差±3″;其距離改正數最大值為1.27mm，小于規范的限差要求±2mm。右線的單側形式CPⅢ平面網自由網平差后，其方向改正數最大值為-2.01″，小于規范要求的限差±3″;其距離改正數最大值為1.33mm，小于規范的限差要求±2mm。說明單側形式CPⅢ平面網的左線數據和右線數據自由網平差后的精度滿足高鐵規范的相關精度要求。

2.2 約束網平差后精度統計分析

左線的單側形式CPⅢ平面網約束網平差后，其點位中誤差為0.75mm，小于規范規定的限差要求2.00mm;其相鄰點相對點位中誤差為0.54mm，小于限差1.00mm;其驗后單位權中誤差為0.45″，小于限差1.80″。右線的單側形式CPⅢ平面網約束網平差后，其點位中誤差為1.14mm，小于規范規定的限差要求2.00mm;其相鄰點相對點位中誤差為0.72mm，小于限差1.00mm;其驗后單位權中誤差為0.70″，小于限差1.80″。說明單側形式CPⅢ平面網的左線數據和右線數據約束網平差后，其點位中誤差、相鄰點相對點位中誤差和驗后單位權中誤差這三項精度指標均滿足高鐵規范的精度要求。

3? 單側形式CPⅢ三角高程網數據的處理及其精度分析

首先，對自由站三角高程野外測量數據進行質量控制。當左行數據和右行數據滿足技術要求時，將左行和右行數據分別附加到該行上。高度差和閉合誤差。回路高度差閉合誤差統計表明，連接路徑高度差閉合誤差和環的高度差閉合誤差的CPⅢ三角高程網的單側形狀滿足二級等級的相應公差要求[5]。單側CPⅢ高程網的精度分析主要是分析左右CPⅢ三角高程網調整后的高差校正數，高度誤差和高低差的精度統計。分別對相鄰點的三角形高程網絡CPⅢ的單點高程結果進行精確統計分析，并將其與同名點對的三角高程網CPⅢ的高程結果進行比較和分析。

3.1 平差后精度統計分析

三角CPⅢ高程網的一側平差后，CPⅢ在左右線上的控制點上的高程誤差小于高速列車規范要求的2.0mm限差。其中，左側的控制點CPⅢ的仰角的最大誤差為0.37mm，右側的控制點CPⅢ的仰角的最大誤差為0.56mm。結果表明，單側三角CPⅢ網平差后，仰角誤差不僅滿足CPⅢ高速列車吊網的限差要求，而且仰角誤差值較小，精度較高。

對三角形CP的高程網進行單邊平差后，左線相鄰點之間的高度差最大誤差為0.32mm，右線相鄰點之間的高度差最大誤差為0.32mm、0.50mm，不大于0.50mm限差的高鐵規格要求。結果表明，調整單側三角形CP三角高程網絡后，相鄰點高程差的誤差精度滿足了高鐵CPⅢ高程網絡的限差要求。

3.2 與點對形式CPⅢ三角高程網高程成果比較分析

如圖2所示，新的CP高程網測試與高速車道規格上的原始測試結果之間的誤差為3mm，表明CPⅢ單邊三角高程網可用于生產項目。

3.3 單側形式軌道控制網三維自由設站測量實驗及其精度分析

在本實驗路線的這一部分中，將CP單邊平面網絡和CP三角高程單邊網絡的結果用于進行全站儀三維自由站測量實驗，以及自由站三維精度[6]。對站組態進行統計分析。與CP形式控制網絡的常規3維自由站測量點對形式不同，當單面CP控制網絡測量3維自由站時，全站儀配置為靠近左線的中心線（或右線），并且站附近。設置并測量最后6個CP控制點（前后3個）。

在實驗路線的此部分中，進行了11個三維自由站測量實驗，并計算了這11個三維自由站的精度。

在這11個三維自由站測量實驗中，X軸方向上最弱的精度為0.99mm，小于0.7mm的公差要求;Y軸方向的最差精度為0.68mm，小于公差要求0.7mm。Z軸方向的最差精度為0.57mm，小于0.7mm的公差要求。未知方位角的最差精度為0.96″，小于2″的公差要求。結果表明，采用CP平面平面網的單側形狀和CP三角高程網絡結果的單側形狀進行全站儀的三維自由站測量，其精度較高。站點的調整可以滿足高速鐵路規范的精度要求。

4? 結語

通過對單側控制網（CPⅢ）的網絡設計和測量方法的研究，以及單側控制網（CPⅢ）的測量數據的計算實驗和精度統計分析，認為CPⅢ單側控制網（CPⅢ）是平面網和CPⅢ三角高程網絡的精度可以滿足高速鐵路的精度要求。最后，利用單側平面網絡CPⅢ的結果和三角CPⅢ的單邊高程網絡的結果，進行了全站儀三維自由設站的計算實驗和精度統計分析，驗證了它們的3個自由站的三維精度也可以滿足高鐵精度的要求。

參考文獻

[1] 王歡. 鐵路軌道控制網（CPⅢ）測量及其數據處理新技術研究[D].成都：西南交通大學，2019.

[2] 姜雄基. 鐵路軌道控制測量方法應用比較分析[D].大連：大連交通大學，2017.

[3] 許雙安.拉林鐵路巴玉隧道施工控制測量及精度分析[J].高速鐵路技術，2020，11（5）：57-62.

[4] 金國清.北斗導航衛星系統在鐵路控制測量中的應用研究[J].鐵道建筑技術，2020（2）：14-18.

[5] 王思鍇，李冠，馬全明，等.電離層誤差對城市軌道交通GPS控制網測量精度的影響分析[J].測繪通報，2017（1）：102-105.

[6] 潘正風.高速鐵路軌道平面控制網（CPⅢ）測量原理的探討[J].測繪通報，2016（8）：44-46.