曹體濤
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)
隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,對(duì)列車運(yùn)行速度和線路平順性有了更高的要求。并非僅僅通過(guò)利用高精度的測(cè)量?jī)x器設(shè)備,采用高等級(jí)的測(cè)量方法來(lái)建立客運(yùn)專線控制網(wǎng),便可一勞永逸地解決無(wú)砟軌道的測(cè)量問(wèn)題[1]。盧建康[2]研究的我國(guó)高速鐵路精密工程測(cè)量技術(shù)體系及特點(diǎn),提出了高速鐵路工程測(cè)量平面控制網(wǎng)分級(jí)布設(shè)的方法及按“三網(wǎng)合一”的原則進(jìn)行測(cè)量的觀點(diǎn)。余鵬[3]對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)期線上平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)方法進(jìn)行研究時(shí),研制了GNSS天線-精密棱鏡連接裝置。劉儒宏[4]等在基于超站儀的普速鐵路平面控制網(wǎng)聯(lián)合平差應(yīng)用研究時(shí),對(duì)GNSS觀測(cè)基線和全站儀邊角觀測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合平差方法進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)鐵路精密測(cè)量控制網(wǎng)建立時(shí),路基和橋梁段的CPⅡ控制網(wǎng)一般采用GNSS接收機(jī)進(jìn)行觀測(cè),CPⅢ控制網(wǎng)則采用智能型全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,存在現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)埋設(shè)控制樁,且利用兩種不同儀器進(jìn)行施測(cè),觀測(cè)的時(shí)間也不同步,必然存在兩次對(duì)中及觀測(cè)誤差等問(wèn)題。為盡量減小外業(yè)數(shù)據(jù)采集誤差,提高測(cè)量效率,本文在充分利用現(xiàn)有高精度測(cè)量設(shè)備的基礎(chǔ)上,研究不埋設(shè)CPⅡ控制樁,只需在對(duì)空通視條件良好的任意位置架設(shè)GNSS接收機(jī)作為CPⅡ點(diǎn),在CPⅡ與CPⅠ點(diǎn)聯(lián)測(cè)的同時(shí),全站儀邊角交會(huì)測(cè)量CPⅢ并對(duì)CPⅡ點(diǎn)同步進(jìn)行聯(lián)測(cè)的新方法。最終以聯(lián)測(cè)的CPⅠ控制點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合平差計(jì)算,得到各CPⅢ控制點(diǎn)的平面坐標(biāo),用于指導(dǎo)軌道板鋪設(shè)及軌道精調(diào)。
目前,鐵路線路工程平面控制測(cè)量均按分級(jí)布設(shè)、逐級(jí)控制的原則建立,第一級(jí)為基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ),第二級(jí)為線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ),第三級(jí)為軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)[5]。隧道外CPⅠ和CPⅡ控制網(wǎng)采用GNSS進(jìn)行施測(cè),CPⅢ控制網(wǎng)采用智能全站儀進(jìn)行施測(cè)。
為確保線路控制基準(zhǔn)的延續(xù)性,一般在軌道控制網(wǎng)測(cè)量前,首先將線下CPⅡ控制點(diǎn)引測(cè)至方便運(yùn)營(yíng)維護(hù)和軌道控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)方便的線上,路基和橋梁段仍按規(guī)范要求的每600~800 m加密1個(gè)線上CPⅡ控制點(diǎn)。利用GNSS接收機(jī)將線下CPⅠ和CPⅡ控制點(diǎn)與線上加密CPⅡ點(diǎn)組網(wǎng),進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集,將控制點(diǎn)平面坐標(biāo)從線下傳遞至線上。
外業(yè)數(shù)據(jù)采集前,需先在線上埋設(shè)加密CPⅡ點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)將GNSS接收機(jī)安置在CPⅡ點(diǎn)上,通過(guò)CPⅡ與CPⅠ點(diǎn)間的聯(lián)測(cè)基線構(gòu)網(wǎng),按照規(guī)范各等級(jí)要求的觀測(cè)時(shí)段和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采用隨機(jī)商業(yè)軟件進(jìn)行基線處理,各項(xiàng)控制指標(biāo)滿足規(guī)范限差要求后,以聯(lián)測(cè)的CPⅠ點(diǎn)為起算點(diǎn),進(jìn)行固定數(shù)據(jù)平差計(jì)算,得到各加密CPⅡ點(diǎn)的坐標(biāo)。CPⅡ與CPⅠ聯(lián)測(cè)構(gòu)網(wǎng)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)形如圖1所示。
圖1 CPⅡ與CPⅠ聯(lián)測(cè)構(gòu)網(wǎng)示意圖
線路平面控制網(wǎng)與軌道控制網(wǎng)之間坐標(biāo)傳遞時(shí),CPⅡ點(diǎn)的坐標(biāo)已經(jīng)通過(guò)GNSS觀測(cè)獲得。 CPⅢ測(cè)量是利用全站儀自由測(cè)站邊角交會(huì)的測(cè)量方式將CPⅡ點(diǎn)與CPⅢ點(diǎn)構(gòu)成邊角網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將加密CPⅡ點(diǎn)作為已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),需在CPⅡ點(diǎn)擺設(shè)棱鏡,且至少保證兩個(gè)以上自由測(cè)站點(diǎn)對(duì)CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),或者將全站儀直接架設(shè)在CPⅡ點(diǎn)上對(duì)CPⅢ點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。各項(xiàng)限差滿足規(guī)范要求的要求后,以聯(lián)測(cè)CPⅡ點(diǎn)坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù),采用固定數(shù)據(jù)對(duì)邊角觀測(cè)值進(jìn)行平差計(jì)算,得到各CPⅢ點(diǎn)的坐標(biāo)。CPⅢ與CPⅡ點(diǎn)聯(lián)測(cè)的網(wǎng)形如圖2所示。
圖2 CPⅢ與CPⅡ聯(lián)測(cè)構(gòu)網(wǎng)示意圖
按分級(jí)布網(wǎng)、逐級(jí)控制的原則,路基和橋梁段CPⅡ與CPⅢ網(wǎng)一般采用分別布網(wǎng)和測(cè)量的方式建立。分別建網(wǎng)測(cè)量首先要進(jìn)行CPⅡ點(diǎn)控制樁地面標(biāo)志的埋設(shè),GNSS接收機(jī)測(cè)量CPⅡ時(shí)需對(duì)中整平,并且只能在獲得CPⅡ坐標(biāo)后才能進(jìn)行CPⅢ測(cè)量網(wǎng)的平差計(jì)算。利用全站儀邊角交會(huì)法進(jìn)行CPⅢ數(shù)據(jù)采集時(shí),必須在CPⅡ點(diǎn)擺設(shè)棱鏡或者將全站儀直接架設(shè)在CPⅡ點(diǎn)上并對(duì)中整平對(duì)其進(jìn)行聯(lián)測(cè),利用邊角觀測(cè)量將CPⅢ點(diǎn)與CPⅡ點(diǎn)構(gòu)成整網(wǎng)。CPⅡ與CPⅢ分步測(cè)量的方式,觀測(cè)時(shí)間不同步,兩次對(duì)中整平誤差不可消除。特別是今后將面臨眾多運(yùn)營(yíng)鐵路的軌道控制網(wǎng)測(cè)量工作,CPⅡ與CPⅢ網(wǎng)分別測(cè)量不利于天窗時(shí)間的充分利用。也很難通過(guò)改變測(cè)量手段提高外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率。因此,有必要研究一種既能保證測(cè)量精度又能提高作業(yè)效率、節(jié)省成本的CPⅢ和CPⅡ同步測(cè)量的新方法。
利用專門研制精加工的可同時(shí)安裝GNSS接收機(jī)和棱鏡的工裝,保證棱鏡中心和GNSS接收機(jī)天線中心的豎向同軸。能夠?qū)崿F(xiàn)全站儀對(duì)工裝上的棱鏡進(jìn)行邊角觀測(cè)的同時(shí),安裝在工裝上的GNSS接收機(jī)與架設(shè)在CPⅠ或線下CPⅡ點(diǎn)上的GNSS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)。該種測(cè)量方式,CPⅡ點(diǎn)僅作為中間過(guò)度的自由設(shè)站點(diǎn),可不埋設(shè)標(biāo)石,僅通過(guò)同步聯(lián)合測(cè)量便可實(shí)現(xiàn)CPⅠ/ CPⅡ至CPⅢ點(diǎn)的坐標(biāo)傳遞。
即在對(duì)空條件良好的地方任意設(shè)置CPⅡ點(diǎn),通過(guò)同軸連接工裝同時(shí)安裝GNSS接收機(jī)和供全站儀測(cè)量的棱鏡。CPⅢ網(wǎng)測(cè)量時(shí),全站儀任意設(shè)站,對(duì)設(shè)站點(diǎn)前后各3對(duì)CPⅢ點(diǎn)和擺設(shè)在自由設(shè)站工裝上的棱鏡進(jìn)行邊角交會(huì)測(cè)量;同時(shí)架設(shè)在CPⅡ點(diǎn)工裝上的GNSS接收機(jī)對(duì)附近的至少3個(gè)CPⅠ點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),實(shí)現(xiàn)CPⅡ點(diǎn)和CPⅢ點(diǎn)同步測(cè)量[6]。外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),至少應(yīng)有2個(gè)自由測(cè)站CPⅡ點(diǎn)同時(shí)與3個(gè)CPⅠ點(diǎn)進(jìn)行同步觀測(cè),即在CPⅡ點(diǎn)滾動(dòng)換站測(cè)量時(shí),能夠保證GNSS觀測(cè)的相鄰CPⅡ點(diǎn)間有直接觀測(cè)邊,CPⅡ點(diǎn)與CPⅠ點(diǎn)間可以構(gòu)成以邊連接的大地四邊形網(wǎng)。
換站測(cè)量時(shí),采集CPⅢ數(shù)據(jù)的全站儀沿作業(yè)前進(jìn)方向每次換站跨兩對(duì)CPⅢ點(diǎn),依次滾動(dòng)設(shè)站。當(dāng)擺設(shè)在CPⅡ工裝上的GNSS接收機(jī)滿足與CPⅠ點(diǎn)聯(lián)測(cè)規(guī)范要求的時(shí)長(zhǎng),同時(shí)安裝在工裝上的棱鏡也滿足全站儀邊角交會(huì)觀測(cè)方向的要求后,即可沿作業(yè)前進(jìn)方向滾動(dòng)設(shè)置聯(lián)合測(cè)量的CPⅡ工裝,進(jìn)行下一循環(huán)的測(cè)量。當(dāng)全站儀依次完成P1~P4點(diǎn)CPⅢ數(shù)據(jù)采集設(shè)站測(cè)量時(shí),在CPⅡa和CPⅡb與CPⅠ點(diǎn)聯(lián)測(cè)時(shí)間滿足規(guī)范要求后,CPⅡa點(diǎn)可滾動(dòng)設(shè)站至CPⅡc點(diǎn),同時(shí)CPⅠA點(diǎn)可滾動(dòng)設(shè)站至CPⅠD點(diǎn)。即第一個(gè)時(shí)段GNSS接收機(jī)觀測(cè)的點(diǎn)為CPⅠA~CPⅠB~CPⅠC~CPⅡa~CPⅡb,全站儀對(duì)應(yīng)設(shè)站編號(hào)為P1~P4。CPⅡ換站后GNSS接收機(jī)觀測(cè)的第二個(gè)時(shí)段點(diǎn)為CPⅠB~CPⅠC~CPⅠD~CPⅡb~CPⅡc,全站儀沿測(cè)量前進(jìn)方向依次設(shè)站觀測(cè)。GNSS測(cè)量第一時(shí)段到第二時(shí)段的網(wǎng)形由CPⅠB~CPⅠC、CPⅠC~CPⅡb和CPⅠB~CPⅡb 3條基線邊傳遞,也滿足規(guī)范要求GNSS觀測(cè)時(shí)段間的邊連接。按照這個(gè)測(cè)量流程依次滾動(dòng)設(shè)站,可實(shí)現(xiàn)CPⅢ網(wǎng)和CPⅡ網(wǎng)的同步測(cè)量。CPⅡ滾動(dòng)換站測(cè)量流程如圖3所示。
圖3 CPⅢ/CPⅡ同步測(cè)量與CPⅠ聯(lián)測(cè)構(gòu)網(wǎng)示意圖
外業(yè)同步測(cè)量時(shí),GNSS采集的數(shù)據(jù)為導(dǎo)航衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量,全站儀采集的數(shù)據(jù)為邊角觀測(cè)量。文中CPⅡ和CPⅢ聯(lián)合平差是指將GNSS和全站儀獲取的外業(yè)觀測(cè)值投影到二維平面觀測(cè)量后的聯(lián)合平差。因此,在外業(yè)采集的各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求后,首先應(yīng)對(duì)原始觀測(cè)值進(jìn)行預(yù)處理。利用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行基線解算,再利用大地微分公式將WGS84坐標(biāo)系下的三維基線向量及其隨機(jī)模型轉(zhuǎn)換為高斯平面的二維基線向量[7]。全站儀獲取的邊角觀測(cè)值也需要投影處理,通過(guò)兩化改正將利用全站儀邊角觀測(cè)值計(jì)算的平距換算到工程獨(dú)立坐標(biāo)系下。
聯(lián)合平差以二維基線向量、水平方向、平距為觀測(cè)量開列誤差方程,并考慮GNSS與全站儀分別觀測(cè)邊長(zhǎng)可能存在的尺度不統(tǒng)一,以及各觀測(cè)值權(quán)值如何確定的問(wèn)題。為驗(yàn)證同步測(cè)量及聯(lián)合平差精度,在數(shù)據(jù)處理時(shí),將全站儀測(cè)量獲取的邊角數(shù)據(jù)和GNSS測(cè)量獲取的基線數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了逐級(jí)平差[8]和聯(lián)合平差[9],并對(duì)兩種平差方式獲得的各CPⅡ點(diǎn)和CPⅢ點(diǎn)的測(cè)量精度和平面坐標(biāo)進(jìn)行比較分析。
本文選取某350 km/h高速鐵路為實(shí)驗(yàn)線路,進(jìn)行7 km線路長(zhǎng)度的CPⅡ和CPⅢ網(wǎng)同步測(cè)量實(shí)驗(yàn),并對(duì)逐級(jí)平差與聯(lián)合平差計(jì)算數(shù)據(jù)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以探究本文所述方法的正確性。
首先,在鐵路線下的基礎(chǔ)平面控制點(diǎn)CPⅠ和線路平面控制點(diǎn)CPⅡ上安置GNSS接收機(jī);其次,在滿足GNSS和CPⅢ聯(lián)測(cè)條件的地方任意設(shè)置CPⅡ點(diǎn),CPⅡ點(diǎn)安裝接收機(jī)和棱鏡的同軸測(cè)量工裝,保證聯(lián)測(cè)網(wǎng)形滿足相關(guān)規(guī)范要求;最后,在線上每隔60 m 1對(duì)的CPⅢ點(diǎn)上安置棱鏡,使用全站儀對(duì)測(cè)站點(diǎn)前后各3對(duì)CPⅢ點(diǎn)和附近任意設(shè)置的CPⅡ點(diǎn)進(jìn)行邊角交會(huì)測(cè)量,測(cè)量時(shí)至少保證2個(gè)及以上的任意設(shè)站CPⅡ點(diǎn)的接收機(jī)與臨近3個(gè)及以上的CPⅠ點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),保證相鄰CPⅡ點(diǎn)間有直接觀測(cè)邊并滿足規(guī)范要求的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。
測(cè)量時(shí),全站儀軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)和GNSS接收機(jī)測(cè)量線路平面控制網(wǎng)(CPⅡ)兩項(xiàng)工作同步進(jìn)行,沿線路方向,按此測(cè)量模式依次滾動(dòng)向前設(shè)站測(cè)量。
CPⅢ與CPⅡ聯(lián)合測(cè)量數(shù)據(jù)采集時(shí),每次CPⅢ設(shè)站測(cè)量加換站時(shí)間約15 min,相鄰CPⅡ點(diǎn)間距按 600 m計(jì)算,需測(cè)量5站CPⅢ,總用時(shí)約60 min。從測(cè)量時(shí)間看,CPⅢ測(cè)量期間CPⅡ聯(lián)測(cè)CPⅠ的時(shí)間能夠滿足高速鐵路規(guī)范三等GNSS網(wǎng)觀測(cè)要求。
對(duì)外業(yè)采集的邊角觀測(cè)數(shù)據(jù)和基線數(shù)據(jù)分別進(jìn)行逐級(jí)平差和聯(lián)合平差,分別得到逐級(jí)平差和聯(lián)合平差的CPⅡ點(diǎn)和CPⅢ點(diǎn)的各項(xiàng)精度指標(biāo)和平差坐標(biāo),該段控制網(wǎng)中共測(cè)量GPS基線向量數(shù)153個(gè)、角度觀測(cè)數(shù)565個(gè)、距離觀測(cè)數(shù)565個(gè)、CPⅢ點(diǎn)數(shù)207個(gè)。
為對(duì)比逐級(jí)平差與聯(lián)合平差所得的坐標(biāo)差異情況,對(duì)兩種平差計(jì)算方式所得的線路右側(cè)CPⅢ點(diǎn)坐標(biāo)較差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖4所示。
圖4 聯(lián)合平差與逐級(jí)平差坐標(biāo)較差部分統(tǒng)計(jì)圖
從圖5可以看出,逐級(jí)平差時(shí)CPⅢ網(wǎng)采用CPⅡ平差后的結(jié)果作為CPⅢ網(wǎng)的強(qiáng)制約束條件,與CPⅡ、CPⅢ網(wǎng)聯(lián)合平差的結(jié)果在CPⅢ點(diǎn)XY坐標(biāo)上具有一定差異。哪種方法所得結(jié)果與控制點(diǎn)的真實(shí)位置更為附合,需進(jìn)一步研究。
經(jīng)過(guò)對(duì)兩種平差結(jié)果統(tǒng)計(jì),分別從基線向量、水平方向和距離觀測(cè)值的改正數(shù)以及相鄰CPⅢ點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位精度等指標(biāo)對(duì)二者的差異進(jìn)行對(duì)比分析,并論證本文方法是否滿足規(guī)范要求。對(duì)比結(jié)果如表1~表6所示。
表1 逐級(jí)平差與聯(lián)合平差基線向量改正數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)表
由表1、表2可知,聯(lián)合平差與逐級(jí)平差所得基線向量改正數(shù)存在一定差異,但不同方法的驗(yàn)后精度均滿足高速鐵路規(guī)范CPⅡ控制網(wǎng)基線測(cè)量的技術(shù)要求。
表2 逐級(jí)平差與聯(lián)合平差最弱基線邊統(tǒng)計(jì)表
由表3可知,聯(lián)合平差與逐級(jí)平差所得方向改正數(shù)存在一定差異,但是不同方法的驗(yàn)后精度均滿足高速鐵路規(guī)范CPⅢ控制網(wǎng)方向測(cè)量的技術(shù)要求,且聯(lián)合平差方向觀測(cè)值的中誤差小于逐級(jí)平差,改正數(shù)亦略小于逐級(jí)平差。
表3 逐級(jí)平差與聯(lián)合平差CPⅢ網(wǎng)方向改正數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)表
由表4可知,聯(lián)合平差與逐級(jí)平差所得距離改正數(shù)存在一定差異,但是不同方法的驗(yàn)后精度均滿足高速鐵路規(guī)范CPⅢ控制網(wǎng)距離測(cè)量的技術(shù)要求,且聯(lián)合平差中與CPⅡ點(diǎn)聯(lián)測(cè)的距離改正數(shù)小于逐級(jí)平差。
表4 逐級(jí)平差與聯(lián)合平差CPⅢ網(wǎng)距離改正數(shù)最大值統(tǒng)計(jì)表
由表5、表6可知,聯(lián)合平差所得CPⅢ相鄰點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位精度高于逐級(jí)平差結(jié)果。
表5 逐級(jí)平差與聯(lián)合平差CPⅢ相鄰點(diǎn)最弱精度統(tǒng)計(jì)表
表6 逐級(jí)平差與聯(lián)合平差CPⅢ相鄰點(diǎn)相對(duì)精度平均值統(tǒng)計(jì)表
傳統(tǒng)CPⅡ、CPⅢ逐級(jí)測(cè)量時(shí),需要安排兩次外業(yè)工作,分別開展CPⅡ(加密)測(cè)量和CPⅢ平面測(cè)量,且CPⅢ測(cè)量前必須先在線上埋設(shè)CPⅡ控制樁。采用本文方法,僅需進(jìn)行一次工作安排,避免二次入場(chǎng)費(fèi);不埋設(shè)CPⅡ樁,可節(jié)省埋樁費(fèi)用和時(shí)間;聯(lián)合平差相比逐級(jí)平差也可節(jié)省內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間??偟墓浪?,可提高測(cè)量效率30%~40%。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及CPⅡ與CPⅢ控制網(wǎng)按傳統(tǒng)逐級(jí)測(cè)量分步平差和同步測(cè)量聯(lián)合平差各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果看,同步測(cè)量和聯(lián)合平差方法主要有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。
(1)CPⅡ點(diǎn)和CPⅢ點(diǎn)的同步測(cè)量方法減少了CPⅡ點(diǎn)的埋樁成本和時(shí)間,即測(cè)即用,不需要對(duì)中,提高了外業(yè)測(cè)量效率。
(2)通過(guò)聯(lián)合平差可得到CPⅢ點(diǎn)的坐標(biāo),減少了操作流程,節(jié)省了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間。
(3)通過(guò)兩種測(cè)量和平差計(jì)算方法比較,聯(lián)合平差結(jié)果的精度和可靠性更高。聯(lián)合平差平差計(jì)算結(jié)果為整網(wǎng)最優(yōu)解,CPⅡ與CPⅢ點(diǎn)間的兼容性更好,線路更平順。
因此,CPⅡ與CPⅢ同步測(cè)量聯(lián)合平差的測(cè)量方式可在今后鐵路項(xiàng)目生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。特別是目前跨江、跨海的特長(zhǎng)橋梁設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)有多聯(lián)多跨連續(xù)縱向連接的特殊梁體結(jié)構(gòu),采用本文測(cè)量方法,可快速準(zhǔn)確獲取CPⅢ點(diǎn)的平面坐標(biāo)。