高效率轨道精测模式研究及精度分析

高效率轨道精测模式研究及精度分析

胡晓龙

中国铁路青藏集团青海西宁810000

摘要：在高速铁路精密工程测量中，无砟轨道系统与其他轨道系统的重要区别之一，改进模式通过改变全站仪的设站位置，减少设站次数，提高轨道精测的效率。对改进前后模式的精度进行分析，对于测量模式，调整量的精度相同。研究结果表明:轨道水平面调整量和高程调整量的精度主要受测量距离和天顶距的影响，其中高程的精度受天顶距的影响尤为显著，而水平角对水平面调整量和高程调整量的影响均较小。

关键词：轨道测量；精测模式；精度分析

目前高速运行的列车对于轨道的质量有很高的要求，因此在轨道线路修建的过程中，对测量精度也提出了很高的要求。轨道精测的精度对于轨道质量有很大的影响，因此精测的精度要求较高，整个精测流程比较复杂，从而导致现有的轨道精测模式测量效率较低。

1轨道精测模式分析

目前无砟轨道的精测中，整个测量系统是在引进国外的轨道测量系统的基础上，通过研发的测量系统［1］，也即主要运用全站仪、轨检小车和棱镜，对轨道的几何状态进行精确的测量。全站仪和棱镜主要用于测量距离和角度，轨检小车用于测量轨道轨距、水平、高低等参数。整个精测过程通过全站仪、棱镜和轨检小车，对轨道的实际坐标进行测量，并与轨道的理论设计坐标进行对比，得到实际轨道位置与理论轨道位置的偏差，用于指导轨道位置的调整。全站仪通过测量CPⅢ来计算全站仪坐标的过程称为全站仪自由设站。测量CPⅢ点坐标即可计算出全站仪坐标值，但测量得到的误差可能会偏大。根据高速铁路无砟轨道修建要求，轨道中线坐标测量的误差要求控制在mm以内。为确保设站达到较高的精度，采用交会法进行设站，常用的设站方法是全站仪边角后方交会法，即在待定点安置全站仪，测出待定点到已知控制点之间的距离和角度，根据方向观测值和边长观测值建立方向误差方程式与边长误差方程式，然后按最小二乘原理计算待定点的坐标。全站仪自由设站的精度随着控制点数目的增加而提高，一般选取3～5个控制点就可以得到比较理想的精度。实际的测量过程中，为保证设站精度，一般选取对称的控制点进行设站。目前轨道测量采用的轨道控制网主要是在引进国外的技术建立起来的。在实际的轨道精测过程中，通过分段测量来实现对整条线路的测量，每段测量都需要全站仪在线路上进行设站。每次全站仪设站完成后，在全站仪测量能够满足精度要求的条件下，进行一段轨道的测量。完成一段轨道的测量后，搬动全站仪，在相邻的一段轨道上重新进行设站和测量。如图。

全站仪通过1～8号CPⅢ点进行设站，完成设站后，启用全站仪的跟踪测量模式，保证全站仪能够对轨检小车上的棱镜进行跟踪测量，再推行轨检小车向着全站仪的方向对轨枕处的轨道参数进行测量。完成前一段的测量后，将全站仪搬到下一个测站位置上，利用5～12号CPⅢ点重新进行设站并进行测量，以此类推，依次进行测量，从而实现全部轨道的测量。

2精测模式改进

现有的轨道精测模式受到设站和测量精度的约束，全站仪每次设站的最大测量距离约为70m，每小时只能够实现约200m轨道的测量，测量效率较低。通过现场测量分析，导致现有轨道精测模式效率低下的主要原因是全站仪设站所需时间较长。全站仪设站主要包括全站仪脚架安放、找平，基准点棱镜安装、CPⅢ观测等过程，每次全站仪设站，需要8～20min以上的时间。因此为提高测量效率，考虑尽可能减少设站次数，在满足精度条件下，扩大设站后全站仪的测量范围。考虑将全站仪的设站点移到轨道外，从而使得全站仪每次设站后，在能够保证测量精度的条件下，可以实现更大范围的轨道测量。将全站仪架设轨道线路之间，选择1～4号和7～10号CPⅢ点进行设站。由于全站仪是架设在线路之外，因此全站仪可测的轨道区间范围扩大，全站仪设站后，可以完成原测量模式需要两次设站才能完成的轨道测量。此外，为保证轨道测量数据的搭接，对于相邻设站测量的区间同样要求有10～15m的重叠段。

3精度分析

改进后的测量过模式改变了设站的位置，扩大了设站后全站仪可测量的轨道范围，从而减少了测量过程中的设站次数，提高了测量效率。与改进前相比，改进后的测量模式，影响测量精度的主要是设站精度和轨检小车棱镜的测量精度。

3.1轨检小车棱镜测量精度分析。根据误差传播定律，分别对式进行全微分，可得到棱镜坐标的误差与全站仪设站误差和测量误差之间的关系如下:

式中:S、α和β分别代表轨检小车棱镜与全站仪之间的斜距、天顶距和水平角，斜距的单位为m，角度均用弧度制表示;mN，mE和mH分别代表轨检小车棱镜北坐标、东坐标和高程的误差;mN0，mE0和mH0分别代表全站仪设站坐标的北坐标、东坐标和高程的误差;mS，mα和mβ分别代表全站仪测量距离、天顶距和水平角的误差。对于原有测量模式，轨检小车的推行过程中，不断靠近全站仪，全站仪测得的天顶距逐渐增大;对于改进后的测量模式，轨检小车推行过程中，先逐渐靠近全站仪，再逐渐远离全站仪，整个过程中，全站仪测得天顶距变化范围较小，水平角变化范围较大。式中，S为全站仪测量得到的斜距。考虑改进的测量模式的设站方式与改进前相同，只改变了设站的位置，使得设站的距离相对较远。但考虑全站仪测距的精度很高，测量模式的设站距离改变相对较小，且设站坐标是经过平差处理后得到的，因此测量模式的设站精度是相同的，即取全站仪自由设站坐标的误差mN0，mE0和mH0为常数，考虑轨检小车棱镜测量误差对轨道位置调整量的影响，为便于分析，设mN0，mE0和mH0的值均为0，即假设全站仪自由设站坐标值无误差。

3.2种测量模式调整量精度对比。在实际测量中，取全站仪与轨检小车棱镜高差为1.2m，最远的轨道测距为70m，最近轨道测距为3m。对于改进前的测量模式，每隔1m测量一个点，根据每个点的理论斜距、水平角和天顶距，并将其代入式中，考虑全站仪测量误差的极端情况，得到轨道上由于各个点测量误差引起的调整量的误差曲线。对于改进前后的模式，测量精度基本相同。对于水平面调整量误差，误差值在距离全站仪最近时最小，随着测量距离的增加，误差值几乎呈线性增加，整段测量范围内，测量模式的最大误差均为0.76mm，最小误差均为0.57mm。对于高程调整量的误差，误差值随着测量距离减小逐渐增加，靠近全站仪时，误差值几乎呈指数增加，测量模式的最大误差均为0.37mm，最小误差均为0.02mm，轨道精测中，水平面的调整量和纵断面的调整量都主要受到测量距离和天顶距的影响，而受水平角变化的影响较小。在实际测量过程中，通过减小全站仪与轨检小车棱镜的高差，从而减小天顶距，可以减小测量误差对高程调整量的影响。当全站仪与轨检小车棱镜的高差为0.2m时，得到轨道上由于各个点测量误差引起的调整量的误差曲线。因此实际测量过程中，可以尽量减小全站仪与轨检小车棱镜自己的高差来减小测量误差对高程调整量的影响。

结论：

1通过改变全站仪的设站位置，减少了精测过程中的设站次数，不仅提高了测量效率，而且由于设站次数减少，需处理的重叠段减少，从而减少了重叠段处理带来的误差，测量的连续性相对更好。

2在实际测量过程中，减小全站仪与轨检小车棱镜的高差可以有效地减少全站仪测量误差对轨道高程调整量精度的影响，而对轨道水平面调整量精度的影响很小。

参考文献：

［1］曾若飞．铁路有砟轨道自动养护测量系统研究思路探讨［J］．铁道勘察，2012(2):8-12

［2］宋运辉．高速铁路轨道基准网测量技术的研究［D］．成都：西南交通大学，2013