1、第 46 卷 第 4 期2023 年 4 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.46,No.4Apr.,2023收稿日期:2022-04-18基金项目:中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(2019D082);中国铁建股份有限公司重大科技专项(2019-A02)资助作者简介:何林烜(1992-),男,重庆人,工程师,硕士,2016 年毕业于西南交通大学测绘工程专业,主要从事高速铁路精密工程测量与变形监测工作。高速磁浮轨排平面控制网精密测量技术研究何林烜(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)
2、摘要:磁悬浮列车凭借其无轮轨阻力、高速及节能被视为轨道交通史上的一大变革。由于高速磁浮列车的运行速度要远快于目前高铁 350 km/h 的运行速度,那么对磁浮轨道梁及其他部件的安装精度便必然会提出更高的要求,对磁浮轨道的平顺性也必然提出更高的要求。如何建立高精度的 CF平面控制网成为迫切需要解决的问题。基于自由测站边角交会网测量原理和新型测量设备激光跟踪仪,本文研究了一种新的 CF平面控制网测量方法,并进行了相关实验分析,证明可大幅提高高速磁浮轨道平顺性测量效率和精度。关键词:高速磁浮;轨排控制网;CF平面网;激光跟踪仪;自由测站中图分类号:P221 文献标识码:A 文章编号:1672-586
3、7(2023)04-0043-03Research on Precision Measurement Technology of Track Plane Control Network for High-speed MaglevHE Linxuan(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)Abstract:The maglev train is regarded as a great revolution in the history of rail transportation beca
4、use of its non-wheel-rail resist-ance,high speed and energy saving.As the running speed of high speed maglev train is much faster than the current 350km/h running speed of high speed railway,the installation accuracy of maglev track beam and other components must be higher,and the regularity of magl
5、ev track must also be higher.How to establish high precision CF plane control network becomes an urgent problem to be solved.Based on the measuring principle of the free station linear-angular intersection network and the new measuring equipment laser tracker,this paper studies a new CF plane contro
6、l network measuring method,and carries out relevant experimental analysis,which proves that it can greatly improve the efficiency and accuracy of the high-speed maglev regularity measurement.Key words:high speed maglev;track control network;CF plane network;laser tracker;free station0 引 言高速磁悬浮交通工程1-
7、2作为一项新兴的高科技技术,比时速 350 km 的高速铁路列车的运行速度提高了一倍,因此,针对高速磁浮轨道按照测控精密控制网的精度提出了更高的要求,那么对磁浮轨道梁及其他部件的安装精度便必然会提出更高的要求。高速铁路的轨道控制网(CP)指的是沿铁路线路布设的平面和高程控制网,为铁路线路轨道施工放样和运营维护提供基准3。陈诚4参照高铁 CP网建立了时速 100 km/h 中低速磁浮交通工程轨排安装测控的 CF网。根据高速铁路工程测量规范TB106012009 的规定,CP平面网相邻点间的相对点位中误差应小于 1 mm,那么,相对于高速铁路列车时速提高一倍的磁悬浮列车来说,用于高速磁悬浮轨道安装
8、测控的 CF平面网4的精度也应该提高一倍以上,因此,课题组考虑将高速磁浮 CF平面控制网平差后相邻点的相对点位中误差限差设定为 0.5 mm。若采用目前市面上的智能型全站仪和常规的高铁 CP控制网测量方法进行 CF平面网测量,很难满足高速磁浮轨道建设的需求。因此,为了同时保证测量的精度、成本与效率,需要一种新的高精度平面控制网的测量方法与数据处理方法。徕卡公司推出的新型测量设备 AT402、AT403 型激光跟踪仪点位测量标称精度已达到 15 m+6 m/m5(其中15 m 为固定误差,6 m/m 为比例误差),测量速度 1 秒钟可高达几十次,一次测量的耗时仅为亚秒级即可得到高精度的坐标,最长
9、测程可达近 120 m,具有操作简便、稳定性好、测量精度超高、动态跟踪测量功能等特点。近年来,谭舸6、刘峥嵘7等展开利用激光跟踪仪建立精密控制网的方法研究及其精度分析,若基于激光跟踪仪研究出新的 CF平面控制网测量方法,不仅可大幅提高高速铁路和磁浮轨道平顺性测量效率和精度,而且在国内外具有创新性。因此,本文基于激光跟踪仪的工作原理,提出了基于激光跟踪仪的自由测站边角交会法8进行 CF平面控制网的构网测量方法,并进行了实验验证。1 激光跟踪仪测量工作原理激光跟踪仪测量系统本质上和全站仪一样是一种球坐标测量系统。它测量目标点的距离、水平和竖直方向的偏转角,从而得到以跟踪仪测量中心为原点的目标点空间
10、三维坐标。激光跟踪仪不仅有水平轴和垂直轴,还有激光发射轴,这 3 轴与测角的 2 个度盘之间存在严格的理论关系。但是由于出厂时的制造差异、运输过程中发生的震动和碰撞以及实际测量环境的变化等因素,激光跟踪仪的 3 轴 2 盘之间的关系会与理论位置关系产生一定的偏差,从而产生测量误差。那么同样,类似全站仪正倒镜观测法消除水平 2C 和垂直角指标差的影响,激光跟踪仪可以根据盘左盘右消除部分误差。激光跟踪仪在使用前会有一个仪器静置初始化自检较的过程,该过程中仪器会盘左盘右反复测量一个稳定点,自检校合格后,仪器会根据这段时间的结果对上述的这一部分系统误差进行修正,也就是说,激光跟踪仪的外业测量中不区分盘
11、左与盘右,仅需要半盘位的多测回测量就可以达到理想的精度。为了保证测量精度,激光跟踪仪每个测站每个方向的观测次数应10 次,且每个测站对同一目标点多次测量结果间的最大坐标分量较差限差由式(1)计算。以 Lei-ca AT403 为例,其标称精度为 15 m+6 m/m,那么使用该仪器进行测量时,测回间同一方向的最大坐标分量较差应小于(15+6D)m,其中 D 为测边长度,否则认为测量结果不可靠。tx=ty=a+b D(1)式中,tx、ty为测回间同一方向 x 坐标分量与 y 坐标分量较差限差;a 为仪器固定误差,单位为 m;b 为仪器比例误差,单位为 m/m;D 为测边长度,单位为 m。2 高速
12、磁浮轨排平面控制网测量方法2.1 高速磁浮轨排平面控制网布设方法高速磁浮轨道安装测控平面控制网对平面相对精度要求极高,其相邻控制点间的相对点位中误差要求达到小于 0.5 mm,本文引入工业测量领域的激光跟踪仪,并对轮轨高铁控制测量中已经相对成熟的测量方法进行改进,形成了一套针对高速磁浮轨道建设的轨道安装测控平面网的测设方法。考虑到磁浮轨道与高速铁路轨道的相似性,本文参考了高铁 CP轨道控制网的构网方法9,提出了一种基于激光跟踪仪的自由测站边角交会法进行CF平面控制网的构网测量与数据处理方法。此方法针对高速磁浮轨道精密平面控制网(CF平面网)进行设计,同时,为适应激光跟踪仪的测量特性,控制点按纵
13、向50 m、横向 11 m 间距成对布设为宜,点位布设如图 1所示。图 1 CF平面控制网点位布设示意图Fig.1 Layout diagram of CF plane control network2.2 高速磁浮轨排平面控制网的测设方法激光跟踪仪与全站仪相类似,可以获取仪器中心与测量目标间的水平方向、天顶距和斜距观测值,并具有更高的近距离测量精度,因此,本文考虑在保证测量精度的前提下,减少长边观测可以提高观测效率。如图 2 所示,平面控制点纵向间距为 50 m,在每 2 个相邻点对间进行 1次自由测站测量,除首尾 4 个测站分别只观测 2 对或 3 对控制点外,其余所有测站均需对测站周围
14、4 个相邻点对进行边角观测,即除首尾 2 个控制点只进行 3 次边角交会外,其余各控制点被进行 4 次边角交会。图 2 基于激光跟踪仪的自由测站边角交会 CF 平面网测量网形示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of measurement network of free station linear-angular intersection CF plane network based on laser tracker在具体施测过程中,由于激光跟踪仪在完成初始化后已经对仪器度盘的各项误差进行了改正,观测中并不区分盘左与盘右,所以,在观测过程中每个测站按照顺时针顺序对各个目
15、标点进行 10 次以上的方向和距离观测,若各项观测值间的最大较差均满足要求的话,则取各次观测值均值作为最终的观测值结果。此外,当每个测站完成对所有目标点的观测后,还应再对起始方向的目标点进行一组方向和距离观测,并计算该组观测值结果与首次观测值结果间的较差,以此作为归零差,若归零差与各方向目标点观测值的最大较差均满足要求,则认为该测站外业观测数据质量合格,否则认为结果不可靠,该测站应该重测。44 测绘与空间地理信息 2023 年2.3高速磁浮轨排平面控制网数据处理技术路线与轮轨高铁工程中的 CP平面网一样,基于激光跟踪仪 CF自由测站边角交会网仍然是非常规则、对称和具有多余观测量的边角交会网,实
16、验可以输出水平方向和距离形式的观测值,因此只要建立方向和距离误差方程给定先验精度信息,基于自由测站边角交会网,就可以按照传统的边角网间接平差的方法对实验网进行严密平差计算以及精度评定。CF平面网的观测值类型以及多余观测值较多,如果采用传统的经验公式定权,很多情况是不精确的。因此,针对激光跟踪有的仪器特性以及实验网网形和观测值类型,应当采用随机模型的验后估计的方法,而最常用的验后估计方法就是 Helmert 方差分量估计。Helmert 方差分量估计法,也称方差的最小二乘法,是利用预平差的改正数,按验后估计各类观测量验前方差的方法。所以本文在进行 CF平面网数据处理的时候均采用 Helmert方差分量估计的方式进行平差。2.4基于激光跟踪仪的轨排平面控制网精度统计1)CF平面网重复弦长较差统计。根据上面所述,CF平面自由测站边角交会网中除首尾 2 个 CF点以外的每 1 个 CF点都要被自由测站观测 4 次,那么网中任意相邻 CF点间的边长都可以分别由 3 个不同的测站观测值计算得到。本次实验建立的CF平面自由测站边角交会网一共 22 条相邻边,通过统计重复弦长较差最大值为 0.71 m