基于超站儀的既有線測量方法研究

2019-08-01 06:50朱永輝劉成龍高淑照楊雪峰

鐵道勘察 2019年4期

朱永輝劉成龍高淑照楊雪峰

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 611756；2.西南交通大學(xué)高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川成都 611756)

為了進行既有線軌道測量，首先要建立完整的運營維護測量控制網(wǎng)[1]。關(guān)于既有線控制網(wǎng)與軌道測量方法，許多學(xué)者與工程技術(shù)人員已進行了相關(guān)研究。全志強[2]對鐵路有砟軌道CPⅢ網(wǎng)測量方法進行了研究，通過分析自由測站邊角交會法和導(dǎo)線測量的內(nèi)在聯(lián)系，對鐵路有砟軌道CPⅢ控制網(wǎng)自由測站邊角交會法進行探討；覃慶[3]對既有線測量技術(shù)的安全性、效率、精度等問題進行研究，提出用坐標法測量既有線的基本思路；陳光金[4]對鐵路既有線測量和設(shè)計的一體化模式進行了研究；羅遠剛[5]參照高速鐵路CPⅢ自由測站邊角交會網(wǎng)，提出一種普速鐵路新型軌道控制平面網(wǎng)的建網(wǎng)和施測方法，即單點交錯的自由測站邊角交會網(wǎng)。從已有研究來看，大多數(shù)聚焦于其中一種方法的研究與優(yōu)化，并未全面考慮線下測量與線上軌道控制網(wǎng)測量兩者的關(guān)系，以下將深入研究兩個工序的特點與相互關(guān)系，探索一種高效率的測量方法。

1 新型網(wǎng)設(shè)計及其測設(shè)

1.1 傳統(tǒng)平面控制網(wǎng)

參照《鐵路工程測量規(guī)范》(TB10101—2009)，對于行車速度160 km/h的鐵路既有線，應(yīng)分別布設(shè)CPⅠ、CPⅡ和CPⅢ控制網(wǎng)。其中，CPⅠ和CPⅡ網(wǎng)沿線路走向布設(shè)[6]，控制點分別設(shè)在距線路中心 50～500 m和50～200 m范圍內(nèi)(如圖1所示)，CPⅠ采用四等GNSS測量，CPⅡ采用五等GNSS或?qū)Ь€測量[7]。

圖1 CPⅠ、CPⅡ點位布設(shè)示意(單位：m)

目前，既有線的CPⅢ點都是布置在軌道兩側(cè)的接觸網(wǎng)桿、橋梁防撞墻或隧道側(cè)壁上[8]，每隔100～120 m 布置1對點，采用自由測站邊角交會法進行測量，相鄰自由測站點間隔200～240 m。在自由測站點上對前后各3對CPⅢ點(共12個CPⅢ點)進行邊角觀測，CPⅢ平面控制網(wǎng)應(yīng)附合在 CPⅠ、CPⅡ或加密的高級控制點上[9]，如圖2所示。

圖2 CPⅢ平面網(wǎng)測量方法示意

1.2 新型CPⅡ控制網(wǎng)

(1) 超站儀及快速靜態(tài)定位簡介

隨著測量機器人和全球定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，超站儀應(yīng)運而生。超站儀是由全站儀和全球定位系統(tǒng)集成的測繪系統(tǒng)。它既具有全球定位系統(tǒng)的功能，又具有全站儀的功能，是一種超級全站儀或超級全球定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)所實現(xiàn)的無加密控制作業(yè)模式，是對傳統(tǒng)測繪模式的革命性改造[10]。

超站儀是一種新型的工程測量儀器，集成了GNSS系統(tǒng)和全站儀技術(shù)，能夠?qū)Τ緝x測站位置的空間坐標進行定位[11]；定位之后，再利用全站儀對被測物進行自由測站測量。這種新型的測量方法不必設(shè)置加密控制點，測量時全站儀不必照準后視點，大大提高了測量效率，同時保證了測量精度[10]。超站儀可以隨意集成與分解，可單獨作為全站儀或GNSS接收機使用，亦可將兩者集成使用。

常規(guī)的GNSS靜態(tài)相對定位技術(shù)通常需進行較長時間的同步觀測(一般需1～2 h)，才能確保定位結(jié)果的精度和可靠性，即使在短基線測量時也是如此[12]。隨著多星座全球定位系統(tǒng)的建成，對于邊長較短、精度要求又不高的GNSS靜態(tài)相對定位，GNSS快速靜態(tài)定位技術(shù)只需進行短時間觀測便能快速確定整周模糊度，從而獲得高精度的基線向量解[13]。

(2)基于超站儀的新型CPⅡ控制網(wǎng)

CPⅡ網(wǎng)的主要作用就是為CPⅢ平面網(wǎng)提供一個起算基準。新型CPⅡ網(wǎng)是將原來CPⅢ平面網(wǎng)的自由測站點作為CPⅡ控制點，如圖3所示。

圖3 新型CPⅡ網(wǎng)測量網(wǎng)形示意

新型CPⅡ網(wǎng)測設(shè)：在線下的3個CPⅠ點上架設(shè)GPS接收機并進行足時測量(選取的CPⅠ點應(yīng)盡量靠近且能覆蓋所測線路，最遠的兩個CPⅠ點間距不應(yīng)大于15 km)，然后對線上CPⅢ網(wǎng)(使用超站儀)按照自由測站法依次進行測量(參照《鐵路工程測量規(guī)范》，相鄰CPⅡ點間距為400～600 m)，每隔一個或二個自由測站測量一個新型CPⅡ點，超站儀在自由測站上的快速靜態(tài)測量時間應(yīng)不少于10 min。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中，新型CPⅡ點與線下的CPⅠ點之間構(gòu)成同步觀測，經(jīng)過基線計算和整網(wǎng)平差后，就可以得到新型CPⅡ點的坐標。

進行CPⅢ平面網(wǎng)測量時，在一個測站點上至少測量兩個測回，加上全站儀的學(xué)習(xí)測量時間，大概需要15 min。新型CPⅡ網(wǎng)以自由測站點作為控制點，既不需要提前埋點，在測量時也沒有對中誤差，提高了測量精度及效率。

2 精度分析與實驗驗證

控制網(wǎng)的精度估算是控制網(wǎng)設(shè)計的一項重要工作，即由所設(shè)計的網(wǎng)形和網(wǎng)的觀測值精度推算出邊長中誤差、方位角中誤差以及點位中誤差等精度指標。只有估算出的精度指標滿足規(guī)范或工程的相應(yīng)要求，其測量方案才是可行的[14]。

為驗證新型CPⅡ網(wǎng)的可行性及精度，首先對GNSS快速靜態(tài)測量得到的基線質(zhì)量進行驗證，分析其能否達到規(guī)范要求的CPⅡ網(wǎng)精度要求；其次，新型CPⅡ網(wǎng)相鄰兩個CPⅡ點之間沒有直接的基線觀測量，不能按傳統(tǒng)的平差方法直接計算出相鄰CPⅡ點之間的相關(guān)精度指標。因此，需推導(dǎo)新型CPⅡ網(wǎng)中相鄰點的方位角中誤差、邊長中誤差和邊長相對中誤差等精度指標，并進行觀測驗證。

2.1 基線質(zhì)量

根據(jù)規(guī)范要求，基線觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量應(yīng)符合下列規(guī)定：①同一時段觀測值的數(shù)據(jù)剔除率不宜大于10%。②同步環(huán)閉合差、獨立環(huán)閉合差、重復(fù)觀測基線長度較差應(yīng)符合參考文獻[6]的相關(guān)規(guī)定。

為了驗證快速靜態(tài)測量的基線精度，在某既有鐵路線上進行了觀測實驗。首先在線下選取了三個相距較遠的CPⅠ點，架設(shè)雙頻多星GNSS接收機，然后在線上三個相鄰的CPⅡ點上進行快速靜態(tài)測量實驗，每個時段觀測10 min，共觀測了6個時段，按照規(guī)范要求進行基線解算和網(wǎng)平差，得到各個時段獨立閉合環(huán)的閉合差，以及三維無約束平差后各基線向量的改正數(shù)，各個時段獨立閉合環(huán)的最大閉合差和基線向量改正數(shù)的最大值，上述各項指標的統(tǒng)計結(jié)果如表1和表2所示。

由表1和表2可見，6個時段閉合環(huán)的閉合差和三維無約束平差后基線向量的改正數(shù)都滿足限差要求，即按照GNSS快速靜態(tài)方法測得的基線可以達到規(guī)范中160 km/h既有線CPⅡ網(wǎng)的精度要求。由該方法所建立的新型CPⅡ網(wǎng)的精度還需進行進一步的研究和驗證。