CN114812520A - 高速磁浮轨道安装测控三维控制网的测设方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网(CFIII)的测设方法及系统。其中方法包括：在高速磁浮交通工程中待测轨道线路处于首级GNSS三维控制网下，沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点；测量首级GNSS三维控制网；在首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于激光跟踪仪对多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网；对CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成CFIII。

Description

高速磁浮轨道安装测控三维控制网的测设方法及系统
技术领域
本发明涉及高速磁浮建设技术领域，尤其涉及一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网的测设方法及系统。
背景技术
高速磁浮交通工程作为一项新兴的高科技技术，其列车的运行速度要远高于现有高铁350km/h的运行速度，因此在高速磁浮交通工程建设过程中，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，对磁浮轨道梁的平顺性也必然需要提出更高的要求。
但目前我国已建成和在建的高速磁浮交通工程项目较少，而且高速磁浮交通工程中使用的磁浮轨道梁结构既不同于传统高速铁路使用的轨道，该磁浮轨道梁结构并没有完全定型，也没有完善的高速磁浮铁路测量体系，同时缺乏相关理论和技术规范作为测量依据。而现有的较为成熟的轮轨高铁测量体系与测量方式，其测量精度无法达到高速磁浮交通工程的精度要求，无法指导高速磁浮轨道安装测控三维控制网的建网和相关测设工作。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网的测设方法及系统，为高速磁浮轨道的安装测量及后期运营维护提供基准。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网CFIII 的测设方法，所述测设方法包括：
在高速磁浮交通工程的轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS三维控制网下，沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点；其中，首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级GNSS平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点；
测量所述首级GNSS三维控制网；
在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网；
对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII。
第二方面，本发明实施例提供一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网CFIII 的测设系统，所述测设系统包括：激光跟踪仪和多个反射器，其中，
所述多个反射器分别安装在在速磁浮交通工程中待测轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS三维控制网下，沿所述待测轨道线路布设的满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点处，其中所述多个反射器与所述多个第一控制点一一对应；首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级 GNSS平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点；
所述激光跟踪仪测量所述首级GNSS三维控制网；在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII 高程控制网；对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII。
本发明实施例提供一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网的测设方法及系统。其中，所述测设方法包括：在高速磁浮交通工程的轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS三维控制网下，沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点；其中，首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级GNSS平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS 平面控制网的第二控制点共点；测量所述首级GNSS三维控制网；在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网；对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII。采用本发明实施例提供的测设方法及系统，在包含两级GNSS 平面控制网和首级高程控制网的首级GNSS三维控制网下，根据激光跟踪仪的测量特性布设多个第一控制点以及利用激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行测设，以得到满足测量精度要求的CFIII，基于该CFIII为高速磁浮轨道的安装及后期运营维护提供基准。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高速磁浮轨道安装测控的三维控制网的测设方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的高速磁浮轨道安装测控三维控制网的多个第一控制点位布设示意图；
图3为本发明实施例提供的基于图2中的第一控制点的布设利用激光跟踪仪的自由测站边角交会CFIII平面控制网测量网形示意图；
图4为本发明实施例提供的基于图2中的第一控制点的布设利用激光跟踪仪按照一等水准测量构建CFIII高程控制网的网形示意图；
图5为本发明实例提供的按照一等水准测量构建CFIII高程控制网时的测量实景图；
图6为本发明实施例提供的基于图2中的第一控制点的布设利用激光跟踪仪测量基线长度方法示意图；
图7为本发明实施例提供的高速磁浮轨道安装测控的三维控制网的测设方法的具体实施方式工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应该理解的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参看附图1，其示出本发明实施例提供的一种高速磁浮轨道安装测控的三维控制网的测设方法的流程示意图。在图1中，所述测设方法可以包括：
S101：在高速磁浮交通工程的轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS 三维控制网下，沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点；其中，首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级GNSS 平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点。
需要说明的是，高速磁浮交通工程中，用于轨道梁安装测控的三维控制网称之为高速磁浮轨道精密控制网(CFIII网)，其是在参照高铁CPIII的基础上改进的一种符合高速磁浮交通工程轨道梁安装测控需求的新型控制网，分为轨道平面控制网和高程控制网，该CFIII网的精度将直接影响高速磁悬浮轨道的平顺性，因此该CFIII网需要进行高精度的测量组网。而目前以常用的智能型全站仪进行精密控制网建网和测设工作的测量手段很难达到高速磁浮的精度要求。基于此，本发明实施例采用激光跟踪仪代替智能型全站仪，利用其超高的测量精度结合高速磁浮交通工程特殊的建筑结构来实现满足高速磁浮建设要求的三维控制网的建网和测设方法。
这里，所说的待测轨道线路为所述高度磁浮交通工程整条线路中的某一段，应该理解的是，高度磁浮交通工程整条线路跨度比较长，其安装测控三维控制网的测设需要一段一段的进行的。
在一些实施例中，所述沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点，可以包括：
基于所述激光跟踪仪的测量特性将所述多个第一控制点沿所述待测轨道线路纵向间隔第一设定距离及沿所述待测轨道线路横向间隔第二设定距离成对布设。
在一些实施例中，所述第一设定距离可以为50米；所述第二设定距离可以为11米。
在一些实施例中，在所述高速磁浮交通工程的结构以桥梁为主的情况下，将所述多个第一控制点按照所述待测轨道线路所在的第一桥梁的桥墩间距成对的安装在所述桥墩顶部架设的轨道梁上的所述待测轨道线路两旁。
前述描述的是，根据线路控制点的布设原则，高速磁浮交通工程的主体结构安装测控三维控制网应该沿待测轨道线路布设在高速磁浮交通工程的线路旁和便于相关结构安装测控的稳定基础上，参照运营中的上海高速磁浮以及既有的轮轨高铁，高速磁浮交通工程的结构应该是以桥梁为主，那么最理想的方式就是把控制点按照桥墩的间距成对布设在桥墩顶部轨道梁上的线路两侧，这样既保证了所述第一控制点的稳定性，又方便控制网的使用。同时，为适应激光跟踪仪的测量特性，所述多个第一控制点按纵向50米、横向11米间距成对布设为宜，第一控制点位布设示意图如图2所示。此外，为了确保测量精度不受相对中误差等人为因素的影响，所有的所述第一控制点均采用强制观测墩。这里所说的相对中误差可以是指一个无名数衡量精度的一种方式，通常可用K 表示。所说的强制观测墩基本上像三角架头，在观测墩平台上埋设中心连接螺旋，使用时直接将仪器(比如激光跟踪仪)插上，其相对中误差小于等于正负 0.2毫米(mm)，埋设的中心连接螺旋最好采用防锈的铜质材料。
需要说明的是，根据现行的高铁轨道控制网的分级布网建立的原则，高速磁浮交通工程的轨道控制网也可以依据分级布网的原则，在初测前应建立高速磁浮交通工程的全线整体的三维框架控制网(CF0)，目的是为全线建立一个统一的测量基准，为下一步的勘察与初测提供起算数据。在该CF0的基础上建立磁浮轨道交通工程的首级GNSS三维控制网，包括第一级GNSS平面控制网和首级GNSS高程控制网，其目的为了线路勘测、设计以及磁浮交通工程的施工提供平面测量基准。在该首级GNSS三维控制网基础上建立所述CFIII，目的是为轨道排(轨道梁)的铺设和精调提供基准。由于高速磁浮交通工程对于所述 CFIII的测设精度要求较高，对应的，对于首级GNSS三维控制网也是有要求的，由于所述CFIII是一种长距离的带状控制网，为控制其横向摆动的问题，首级 GNSS三维控制网中的第一级GNSS平面控制网按照多级平面控制网应该逐级控制的原则，应该首先测设能够控制整条高速磁浮交通工程的高精度GNSS平面控制网。为了控制整条高速磁浮交通工程和测控高精度的CFIII，本发明实施例提出首级GNSS三维控制网的第一级GNSS平面控制网可以分两级布设，也即首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网。在一些实施例中，所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级GNSS平面控制网，其中，所述第一级GNSS平面控制网可以沿所述高速磁浮交通工程全线间距大约10千米(KM)左右布设第三控制点；所述第二级 GNSS平面控制网也可以称之为第二级精密GNSS平面控制网，其沿所述高速磁浮交通工程全线间距大约300～500米(m)左右布设多个所述第二控制点，其中，所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点。应该理解的是，所说的共点是几何学的基本概念之一，平面上或空间中若干几何元素共有的与点的结合关系，若干直线(或圆或平面)共点是说它们通过同一个点，若干直线或若干平面都供电是说它们都通过一个公共点，共点的直线 (圆、平面)成为共点线(圆、平面)，也就是，这里所谓的所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点可以是指所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点有相同的控制点。当然了，由于所述CFIII是首级GNSS三维控制网的下一级控制网，因此，沿所述高速磁浮交通工程纵向方向，所述多个第一控制点之间的间距不大于所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点之间的间距，故所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点的个数不多于所述多个第一控制点，因此，在一些实施例中，所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点可以全部为所述多个第一控制点中的第一控制点。
S102：测量所述首级GNSS三维控制网。
在一些实施例中，所述测量所述首级GNSS三维控制网可以包括：
测量所述两级GNSS平面控制网，获得第一子测量结果；
测量所述首级高程控制网，获得第二子测量结果；
其中，所述测量结果包括所述第一子测量结果和所述第二子测量结果。
在一些实施例中，所述第一子测量结果包括所述第一级子测量结果和第二级子测量结果；所述第一级子测量结果为对所述第一级GNSS平面控制网进行测量得到的；所述第二级子测量结果为对所述第二级GNSS平面控制网进行测量得到的；其中，所述第一级GNSS平面控制网包含的沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个第三控制点之间的间距大于沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第二控制点之间的间距。
在一些实施例中，所述方法还包括：
在对所述第一级GNSS平面控制网按照国家B级平面控制网的测量要求进行外业测量时获得的所述第一级子测量结果满足第一条件时；且
在对所述第二级GNSS平面控制网按照所述国家B级平面控制网和国家C 级平面控制网的测量要求进行外业测量时获得的所述第二级子测量结果满足第二条件时；且
在对所述首级高程控制网按照一等水准网的测量要求进行外业测量时获得的所述第二子测量结果满足第三条件时，所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求；
其中，所述第一条件为约束平差后最弱边边长的测量值对应的相对中误差不大于1/1000000；所述第二条件为沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第二控制点之间的间距的测量值对应的相对中误差不大于2毫米；所述第三条件为每千米高差偶然中误差不大于0.45毫米、每千米高差全中误差不大于1毫米、平差后相邻控制点高差中误差不大于0.5毫米。
前述描述的测量所述首级GNSS三维控制网包括对两级GNSS平面控制网和首级高程控制网的测量，其中，测量所述两级GNSS平面控制网，获得第一子测量结果；测量所述首级高程控制网，获得第二子测量结果。
具体的，参照高铁框架控制网(CP0)和基础平面控制网(CPI)的精度等级及其技术要求，本发明实施例将高速磁浮交通工程的第一级GNSS平面控制网应该按照国家B级平面控制网的要求进行外业测量，并达到1/1000000的相对中误差要求，此为前述第一条件。
同时，为得到能与激光跟踪仪测量的CFIII平面控制网匹配的精度的成果，本发明实施例使第二级精密GNSS平面控制网(也即第二级GNSS平面控制网) 应该参考国家B级平面控制网和C级平面控制网的要求进行外业测量，并达到相距300m左右的两点间相对点位中误差小于2mm和最弱边边长(300m左右) 相对中误差应小于1/200000的精度要求具体的测量技术要求如下：
1)第二级精密GNSS平面控制网主要技术指标
第二级精密GNSS平面控制网测量实验的固定误差a、比例误差系数b、基线边方位角中误差及约束平差后最弱边边长相对中误差不得大于表1的规定，此为第二条件。
表1第二级精密GNSS平面控制网的主要技术要求
Figure BDA0003532480320000081
后文中的重复基线较差及闭合环闭合差限差计算时相邻所述第二控制点间基线长度中误差应按下式计算：
Figure BDA0003532480320000082
其中，σ为基线长度中误差(mm)，d为相邻第二控制点间的距离(km)。
2)外业施测
第二级精密GNSS平面控制网测量需联测附近的第一级GNSS平面控制网的第三控制点，并参照《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314-2009) 中的B级平面控制网的部分精度要求与C级平面控制网中的部分要求进行观测，其具体的外业技术要求如下表2所示。
表2第二级精密GNSS平面控制网测量实验外业观测的主要技术要求
Figure BDA0003532480320000091
3)基线解算及质量控制
外业测量结束后，尽快进行GNSS基线处理，之后按规范要求进行闭合环闭合差及重复基线较差的检校，满足实验要求后，进行网平差。
基线解算后应该满足如下要求：
①同一时段观测值的数据剔除率不宜大于10％。
②闭合环闭合差、重复观测基线长度较差应符合表3的规定：
表3基线质量检验限差
Figure BDA0003532480320000092
Figure BDA0003532480320000101
需要说明的，σ为相应等级规定的基线长度中误差，按照上式(1)计算，n 为闭合环边数。
4)第二级精密GNSS平面控制网平差及验后精度评定
1、当基线各项质量检验符合要求时，以三维基线向量及其相应方差-协方差阵作为观测信息，以一个第二控制点的WGS-84坐标系的三维坐标作为起算数据，进行三维无约束平差，并提供空间直角坐标、基线向量及其改正数和精度信息。
三维无约束平差的基线向量改正数绝对值应满足下式要求：
Figure BDA0003532480320000102
其中，σ按式(1)计算，其中a、b应符合表1中相应等级规定，d取各时段基线长度平均值(以km为单位计算)。
2、三维无约束平差后，应对第二级精密GNSS平面控制网进行三维约束平差或二维约束平差。
在实际应用过程中，对于所述首级高程控制网的测量可以按照一等水准测量的相关技术要求，对首级GNSS高程控制网进行测量，外业质量控制以及数据处理及精度评定，获得第二子测量结果。后面有对一等水准测量的详细描述，在此不再赘述。但需要说明的是，首级GNSS高程控制网的测设实际上也是可以包含两个的，不同平面控制网对应布设的控制点间距是不一样的，如前述的第一级GNSS平面控制网以及第二级平面控制网对应的第三控制点与第二控制点之间的间距就是不一样的，在不同布设情况下，均可测设一个高程控制网，但在实际上，其精度要求相同，故仅统称之外首级高程控制网，测量方式为一等水准测量，其测量精度可以为每千米高差偶然中误差不大于0.45毫米、每千米高差全中误差不大于1毫米、平差后相邻控制点高差中误差不大于0.5毫米。也即所述第三条件为每千米高差偶然中误差不大于0.45毫米、每千米高差全中误差不大于1毫米、平差后相邻控制点高差中误差不大于0.5毫米。
S103:在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的 CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网。
需要说明的是，在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，对所述CFIII进行测量，前述已经描述所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求的条件，在此不再赘述。
第一、对CFIII平面控制网的测设
前已叙述，CFIII平面控制网对平面控制网的相对精度要求极高，其相邻第一控制点间的相对点位中误差要求达到小于0.5mm，常规的测量仪器和传统的方法难以满足这种极高的精度需求，所以本发明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控制网的测设方法。
另外，高速磁浮精密平面控制网为带状控制网，考虑到磁浮轨道与高速铁路轨道的相似性，本发明参考了高铁CPIII轨道控制网的构网方法，基于激光跟踪仪的高速磁浮精密平面控制网采用自由测站边角交会网进行CFIII平面控制网的构网测量。CFIII平面控制网也可以称之为高速磁浮轨道安装测控平面控制网。
(1)CFIII平面控制网测量精度设计
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测控的CFIII平面控制网的精度也应该提高一倍以上，因此本发明将高速磁浮CFIII平面控制网平差后相邻控制点的相对点位中误差限差设定为 0.5mm，此为第二要求，且CFIII平面自由网平差和约束网平差后应分别满足下表4、5和6的规定；
表4 CFIII自由网平差后方向和距离改正数限差
Figure BDA0003532480320000121
表5 CFIII平面控制网约束平差后的方向和距离改正数限差
Figure BDA0003532480320000122
表6 CFIII平面控制网测量验证后主要精度指标
Figure BDA0003532480320000123
(2)基于激光跟踪仪的CFIII平面控制网自由测站边角交会网测量构网及施测方法
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，因此本发明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3所示，多个第一控制点中纵向相邻的两个所述第一控制点间距为50m，横向相对的两个所述第一控制点称之为第一控制点对，比如，图3中的CFIII-01和CFIII-02就是一各第一控制点对。本发明实施例利用激光跟踪仪的CFIII平面控制网自由测站边角交会网方法可以是：在每两相邻所述第一控制点对之间进行一次自由测站测量，除首尾4个自由测站分别只观测两对或三对第一控制点对外，其余所有自由测站均需对自由测站周围4个相邻控制点对进行边角观测，即除首尾两个第一控制点只被进行3次边角交会外，其余各第一控制点均被进行4次边角交会。比如，在图3中，cz01为第一个自由测站；cz09为最后一个自由测站；在激光跟踪仪设置在cz01和cz09时，其仅观测两对第一控制点对，如，激光跟踪仪设置在cz01时，其仅观测CFIII-01和CFIII-02、CFIII-03和CFIII-04两对第一控制点对；激光跟踪仪设置在cz09时，其仅观测CFIII-13和CFIII-14、CFIII-15和CFIII-16两对第一控制点对。激光跟踪仪分别设置在自由测站点cz02 和cz08时，其观测三对第一控制点对；激光跟踪仪分别设置在自由测站点cz03 至cz07时，其观测四对第一控制点对。
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，在观测过程中每个自由测站按照顺时针顺序对各个目标点(也即各个第一控制点)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，当每个自由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，则认为该自由测站外业观测数据质量合格，否则认为结果不可靠，该自由测站应该重测。
以激光跟踪仪设置在cz01这个自由测站点为例，其观测CFIII-01和 CFIII-02、CFIII-03和CFIII-04两对第一控制点对，按照顺时针顺序对这四个第一控制点进行观测，也就是按照CFIII-01、CFIII-03、CFIII-04、CFIII-02、CFIII-01 的顺序进行测量，最后又测量了CFIII-01是为了构成闭环，计算与与首次观测值结果间的较差，以此作为归零差。
(3)CFIII平面控制网激光跟踪仪测量相关技术指标
为了保证测量精度，激光跟踪仪每个自由测站每个方向的观测次数应≥10 次，且每个自由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(3)计算。以激光跟踪仪的型号为Leica AT403为例，其标称精度为 15um+6um/m，那么使用该激光跟踪仪进行测量时，测回间同一方向的最大坐标分量较差应小于(15+6×D)um，其中D为测边长度，否则认为测量结果不可靠。
tx＝ty＝a+b×D (3)
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um；b为仪器比例误差，单位um/m；D为测边长度，单位m。
第二、对CFIII的高程网的测设
在一些实施例中，所述CFIII高程控制网也可以称之为高速磁浮轨道安装测控三维控制网高程控制网。
(1)CFIII高程控制网精度设计
与CFIII平面控制网精度设计相类似，根据《高速铁路工程测量规范(2009 版)》的规定，CPIII高程控制网相邻第一控制点间的高差中误差应小于0.5mm，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测控的CFIII高程控制网的精度也应该提高一倍以上，因此本发明将高速磁浮CFIII高程控制网平差后相邻控制点的高差中误差限差设定为0.25mm，此为第三要求。
同时，由于CFIII高程控制网相邻控制点的高程中误差是CPIII高程控制网的二分之一，因此从理论上说，对CFIII高程控制网而言就应按照一等高程控制网的精度要求进行测量。根据现行《国家一、二等水准测量规范》，一等高程控制网实际上就是一等水准网，其每千米高差偶然中误差应小于0.45mm，每千米高差全中误差应小于1mm。综合以上所述，CFIII高程控制网成果的精度必须满足表7的要求。
表7 CFIII高程控制网精度要求
Figure BDA0003532480320000141
(2)基于电子水准仪的一等水准高程控制网构网及施测方法
为了减少一等水准外业测量的工作量，在CFIII高程控制网一等水准外业测量时，本发明采用了如图4所示的构网方法进行测量，各个测段的高差均进行往返测量。显然该方法的外业工作量比CPIII高程控制网的矩形法少一些，但是也形成了多个三角形闭合环，所有测段的高差均可参与闭合环高差闭合差的检核，因而也具有较高的粗差探测能力及其可靠性。
在进行CFIII高程控制网一等水准测量时，为了测得靶球球心的高程，先把靶球安放在强制对中盘的中心螺孔上，然后将水准尺直接立于靶球顶部，如图5所示，先测得靶球顶部高程，再减去靶球的半径便可得到靶球球心的高程。球心高程计算公式如下：
H球心＝H-r (4)
式中：H球心为靶球球心的高程；H为球顶高程；r为靶球半径。
为了保证高速磁浮轨道按照测控高程控制网的测量精度，一等水准外业测量需采用经过检定合格的高精度电子水准仪及其配套的条码尺，测量过程中的技术要求和需要控制的外业观测指标应满足表8的规定。
表8一等水准测量技术要求和外业观测限差指标
Figure BDA0003532480320000151
为了保证一等水准测量每个自由测站观测数据的质量，要求各个自由测站的外业观测数据满足表9所示的自由测站误差控制指标。
表9一等水准测量测量方法及其自由测站误差控制指标
Figure BDA0003532480320000152
为了保证CFIII高程控制网能够达到一等高差控制网的精度精度，还需检查往返测高差不符值和环高差闭合差，限差指标如表10所示。
表10一等水准往返测高差不符值、环高差闭合差限差指标
Figure BDA0003532480320000161
S104：对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述 CFIII。
需要说明的是，基于所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网整合，以形成所述CFIII之前，要获得满足要求的测量所述CFIII的测量数据以及需要满足要求测量CFIII高程控制网的测量数据，在向前推，还要获得满足要求测量第二级GNSS平面控制网的测量结果，如何确定这些测量数据满足要求呢？
在一些实施例中，对于获得的测量数据的精度验证可以包括以下几个方面。
第一方面，精密GNSS平面网基线测量精度验证分析
为了验证精密GNSS平面控制网的基线精度，本发明设计了精度验证实验，将不同观测时长测量的基线向量网三维无约束平差后的部分基线长度与激光跟踪仪地面测得的对应基线长度进行对比分析，如图6所示，选取了CF01-CF08、 CF02-CF07、CF09-CF16和CF10-CF15四条基线边作为对比对象。
精密GNSS实验网测量的基线向量网三维无约束平差后的基线长度，与结构跟踪仪测量的基线长度的对比分析情况，见下表11。
表11 GNSS测量的基线与激光跟踪仪测量的基线长度对比分析统计表
Figure BDA0003532480320000162
Figure BDA0003532480320000171
由上表中的基线长度比较结果可知，无论是24h还是6h观测时长的观测数据经三维无约束平差后，其基线长度与地面激光跟踪仪直接测得的基线长度的差距都在亚毫米级，其中大部分较差都在0.5mm及以下，这一比较结果可以说明精密GNSS平面控制网的基线观测值精度与激光跟踪仪测量的距离精度是匹配的。
第二方面，CFIII平面控制网精度验证分析
为了验证CFIII平面控制网的精度，本发明按前述对于CFIII平面控制网的测设进行了一段实验测量，其平差后各项精度指标均满足表4-表6中的要求，达到了预期的精度目标。为了进一步验证平面网的精度，本发明基于CFIII自由测站边角交会网，利用激光跟踪仪进行二维自由设站测量，通过设站精度来直观的反映CFIII平面控制网的精度情况。
下表12为在CFIII平面控制网中依次设站测量后对设站精度的统计，从表中可以看出10次设站的坐标RMS(均方根)误差最大值分别为0.17mm(X坐标)和0.19mm(Y坐标)；标准偏差误差最大值分别为0.18mm(X坐标)和 0.21mm(Y坐标)。
表12基于CFIII平面控制网的设站精度统计
Figure BDA0003532480320000181
Figure BDA0003532480320000191
第三方面，CFIII高程控制网精度验证分析
为了验证CFIII高程控制网的精度，本发明按照前述的CFIII高程控制网测设方式进行了一段实验测量。下表13所示为实验测量的每公里高差偶然中误差和每公里高差全中误差统计结果，其结果满足《国家一、二等水准测量规范》中一等水准的相应限差要求。
表13 CFIII高程控制网形每公里高差偶然中误差及全中误差精度指标统计
Figure BDA0003532480320000192
CFIII高程控制网的验前精度满足要求后，再进行平差计算，之后统计平差后的高差改正数及相邻控制点高差中误差，统计结果如下表14所示。
表14 CFIII高程控制网验后精度统计
Figure BDA0003532480320000193
由表14中的统计结果可知，CFIII高程控制网的高差改正数全部小于0.1mm，相邻控制点高差中误差均小于0.25mm，均达到了预期目标。
在获得要求的CFIII平面控制网和CFIII高程控制网之后，将两个控制网的平面测量成果以及高程测量成果进行融合，以形成CFIII三维控制网，其融合方式也就是将CFIII平面控制网中各第一控制点的平面坐标与CFIII高程控制网中各第一控制点的高程值进行一一对应，以形成三维坐标，之后基于这些三维坐标组成CFIII三维控制网。
需要说明的是，在本发明实施例中，第一级GNSS平面控制网的测设也需要满足精度以及首级高程控制网的测设也需要满足精度，但其精度验证方式与现有相似，在此不再一一赘述。
总体来说，本发明实施例提供的测设高速磁浮轨道(梁)安装测控用精密三维控制网的方法做进一步说明。图7为工作流程图：
本发明的实施方式包括以下几个步骤：
第一步，第一控制点布设。按照本发明中关于点位布设的相关要求，布设第二步，首级控制网控制点与高速磁浮轨道安装测控三维控制网控制点。
第二步，首级控制网测量与数据处理。按照国家B级网与一等水准测量相关技术要求，对首级平面GNSS控制网(也即第一级GNSS平面控制网)与首级高程控制网进行测量、外业质量控制、数据处理与精度评定。
第三步，精密GNSS平面控制网(也即第二级GNSS平面控制网测量与数据处理。联测第一级GNSS平面控制网的第三控制点，并参照本发明中相关技术要求，进行精密GNSS平面控制网(第二级GNSS平面控制网)的测量、外业质量控制、数据处理与精度评定。
第四步，参照本发明中高速磁浮轨道安装测控平面网相关测量方法与技术要求，进行高速磁浮轨道安装测控三维控制网中平面网部分的测量、数据处理与精度评定，并对不满足精度要求的部分进行补测或重测。
第五步，参照本发明中高速磁浮轨道安装测控高程控制网相关测量方法与技术要求，进行高速磁浮轨道安装测控三维控制网中高程控制网部分的测量、数据处理与精度评定，并对不满足精度要求的部分进行补测或重测。
第六步，整合平面网(也即CFIII平面控制网)与高程网(也即高程控制网)的测量成果，形成完整的高速磁浮轨道安装测控三维控制网成果。
本发明实施例提供的采用本发明可以实现满足高速磁浮轨道建设需求的高精度轨道安装测控三维控制网，具有以下优势：
(1)按照本发明进行GNSS平面网的建网，其精度可以与激光跟踪仪测量的CFIII平面控制网的精度相匹配。且精密GNSS平面控制网采用全星座GNSS 接收机进行至少两个时段的外业测量，每个时段的观测时长大于6小时，即可满足精度要求。
(2)基于激光跟踪仪的CFIII平面控制网采用边角交会网进行设计和施测，能达到相邻控制点的相对点位中误差小于0.5mm的验后精度要求。
(3)CFIII高程控制网既可以采用DS05级电子水准仪按照一等水准测量的方法进行测量，该方法可以达到相邻控制点高差中误差小于0.25mm的精度要求。
(4)本发明在引入新的测量仪器时，通过改进现有的测量方法，即保证了测量精度，同时也保证了测量效率。
基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网CFIII的测设系统，所述测设系统包括：激光跟踪仪和多个反射器，其中，
所述多个反射器分别安装在在速磁浮交通工程中待测轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS三维控制网下，沿所述待测轨道线路布设的满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点处，其中所述多个反射器与所述多个第一控制点一一对应；首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级 GNSS平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点；
所述激光跟踪仪测量所述首级GNSS三维控制网；在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程控制网测设，获得满足第三要求的 CFIII高程控制网；对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII。
在一些实施例中，所述沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点，包括：
基于所述激光跟踪仪的测量特性将所述多个第一控制点沿所述待测轨道线路纵向间隔第一设定距离及沿所述待测轨道线路横向间隔第二设定距离成对布设。
在一些实施例中，述第一设定距离为50米；所述第二设定距离为11米。
在一些实施例中，在所述高速磁浮交通工程的结构以桥梁为主的情况下，将所述多个第一控制点按照所述待测轨道线路所在的第一桥梁的桥墩间距成对的安装在所述桥墩顶部架设的轨道梁上的所述待测轨道线路两旁。
在一些实施例中，所述测量所述首级GNSS三维控制网包括：
测量所述两级GNSS平面控制网，获得第一子测量结果；
测量所述首级高程控制网，获得第二子测量结果；
其中，所述测量结果包括所述第一子测量结果和所述第二子测量结果。
在一些实施例中，所述第一子测量结果包括所述第一级子测量结果和第二级子测量结果；所述第一级子测量结果为对所述第一级GNSS平面控制网进行测量得到的；所述第二级子测量结果为对所述第二级GNSS平面控制网进行测量得到的；其中，所述第一级GNSS平面控制网包含的沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个第三控制点之间的间距大于沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第二控制点之间的间距。
在一些实施例中，在对所述第一级GNSS平面控制网按照国家B级平面控制网的测量要求进行外业测量时获得的所述第一级子测量结果满足第一条件时；且
在对所述第二级GNSS平面控制网按照所述国家B级平面控制网和国家C 级平面控制网的测量要求进行外业测量时获得的所述第二级子测量结果满足第二条件时；且
在对所述首级高程控制网按照一等水准网的测量要求进行外业测量时获得的所述第二子测量结果满足第三条件时，所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求；
其中，所述第一条件为约束平差后最弱边边长的测量值对应的相对中误差不大于1/1000000；所述第二条件为沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第二控制点之间的间距的测量值对应的相对中误差不大于2毫米；所述第三条件为每千米高差偶然中误差不大于0.45毫米、每千米高差全中误差不大于1毫米、平差后相邻控制点高差中误差不大于0.5毫米。
在一些实施例中，所述基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网，包括：
基于所述激光跟踪仪采用自由测站边角交会网的方式对所述多个第一控制点进行外业测量，获得CFIII平面测量网；
基于所述激光跟踪仪将所述CFIII平面测量网和所述第二级GNSS平面控制网进行联测，以获得满足第二要求的CFIII平面控制网；
其中，所述第二要求为约束平差后所述CFIII平面控制网包含的沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第一控制点之间的间距的测量值对应的相对中误差的绝对值不大于0.5毫米。
在一些实施例中，所述基于所述激光跟踪仪采用自由测站边角交会网的方式对所述多个第一控制点进行外业测量，获得CFIII平面测量网，包括：
沿所述待测轨道线路纵向方式，在每两个相邻第一控制点对的中间进行一次自由测站测量，除首尾4个自由测站分别观测两对或三对所述第一控制点对外，其余各自由测站均需对自由测站周围的4个相邻的所述第一控制点对进行边角观测，以获得CFIII平面测量网。
在一些实施例中，所述基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程控制网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网，包括：
基于所述激光跟踪仪按照一等水准网的测量要求对所述多个第一控制点进行外业测量，以获得满足第三要求的CFIII高程控制网；
其中，所述第三要求为平差后相邻第一控制点高差中误差不大于0.25毫米。
在一些实施例中，所述对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII，包括：
将所述CFIII平面控制网的平面网测量成果与所述CFIII高程控制网的高程网测量成果进行整合，以形成所述CFIII。
需要说明的是，本发明实施例提供的高速磁浮轨道安装测控三维控制网 CFIII的测设系统与测设方法属于同一发明构思，此处出现的名词在前述已经详细说明，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网CFIII的测设方法，其特征在于，所述测设方法包括：
在高速磁浮交通工程的轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS三维控制网下，沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点；其中，首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级GNSS平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点；
测量所述首级GNSS三维控制网；
在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网；
对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII。
2.根据权利要求1所述的测设方法，其特征在于，所述沿待测轨道线路布设满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点，包括：
基于所述激光跟踪仪的测量特性将所述多个第一控制点沿所述待测轨道线路纵向间隔第一设定距离及沿所述待测轨道线路横向间隔第二设定距离成对布设。
3.根据权利要求2所述的测设方法，其特征在于，所述第一设定距离为50米；所述第二设定距离为11米。
4.根据权利要求2所述的测设方法，其特征在于，在所述高速磁浮交通工程的结构以桥梁为主的情况下，将所述多个第一控制点按照所述待测轨道线路所在的第一桥梁的桥墩间距成对的安装在所述桥墩顶部架设的轨道梁上的所述待测轨道线路两旁。
5.根据权利要求1所述的测设方法，其特征在于，所述测量所述首级GNSS三维控制网包括：
测量所述两级GNSS平面控制网，获得第一子测量结果；
测量所述首级高程控制网，获得第二子测量结果；
其中，所述测量结果包括所述第一子测量结果和所述第二子测量结果。
6.根据权利要求5所述的测设方法，其特征在于，所述第一子测量结果包括所述第一级子测量结果和第二级子测量结果；所述第一级子测量结果为对所述第一级GNSS平面控制网进行测量得到的；所述第二级子测量结果为对所述第二级GNSS平面控制网进行测量得到的；其中，所述第一级GNSS平面控制网包含的沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个第三控制点之间的间距大于沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第二控制点之间的间距。
7.根据权利要求6所述的测设方法，其特征在于，所述方法还包括：
在对所述第一级GNSS平面控制网按照国家B级平面控制网的测量要求进行外业测量时获得的所述第一级子测量结果满足第一条件时；且
在对所述第二级GNSS平面控制网按照所述国家B级平面控制网和国家C级平面控制网的测量要求进行外业测量时获得的所述第二级子测量结果满足第二条件时；且
在对所述首级高程控制网按照一等水准网的测量要求进行外业测量时获得的所述第二子测量结果满足第三条件时，所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求；
其中，所述第一条件为约束平差后最弱边边长的测量值对应的相对中误差不大于1/1000000；所述第二条件为沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第二控制点之间的间距的测量值对应的相对中误差不大于2毫米；所述第三条件为每千米高差偶然中误差不大于0.45毫米、每千米高差全中误差不大于1毫米、平差后相邻控制点高差中误差不大于0.5毫米；所述控制点为第二控制点或第三控制点。
8.根据权利要求1所述的测设方法，其特征在于，所述基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网，包括：
基于所述激光跟踪仪采用自由测站边角交会网的方式对所述多个第一控制点进行外业测量，获得CFIII平面测量网；
基于所述激光跟踪仪将所述CFIII平面测量网和所述第二级GNSS平面控制网进行联测，以获得满足第二要求的CFIII平面控制网；
其中，所述第二要求为约束平差后所述CFIII平面控制网包含的沿所述待测轨道线路纵向相邻的两个所述第一控制点之间的间距的测量值对应的相对中误差的绝对值不大于0.5毫米。
9.根据权利要求8所述的测设方法，其特征在于，所述基于所述激光跟踪仪采用自由测站边角交会网的方式对所述多个第一控制点进行外业测量，获得CFIII平面测量网，包括：
沿所述待测轨道线路纵向方式，在每两个相邻第一控制点对的中间进行一次自由测站测量，除首尾4个自由测站分别观测两对或三对所述第一控制点对外，其余各自由测站均需对自由测站周围的4个相邻的所述第一控制点对进行边角观测，以获得CFIII平面测量网。
10.根据权利要求1所述的测设方法，其特征在于，所述基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网，包括：
基于所述激光跟踪仪按照一等水准网的测量要求对所述多个第一控制点进行外业测量，以获得满足第三要求的CFIII高程控制网；
其中，所述第三要求为平差后相邻第一控制点高差中误差不大于0.25毫米。
11.根据权利要求1所述的测设方法，其特征在于，所述对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII，包括：
将所述CFIII平面控制网的平面网测量成果与所述CFIII高程控制网的高程网测量成果进行整合，以形成所述CFIII。
12.一种高速磁浮轨道安装测控三维控制网CFIII的测设系统，其特征在于，所述测设系统包括：激光跟踪仪和多个反射器，其中，
所述多个反射器分别安装在在速磁浮交通工程中待测轨道线路处于首级全球导航卫星系统GNSS三维控制网下，沿所述待测轨道线路布设的满足激光跟踪仪测量特性的多个第一控制点处，其中所述多个反射器与所述多个第一控制点一一对应；首级GNSS三维控制网包括：两级GNSS平面控制网和首级高程控制网；所述两级GNSS平面控制网包括第一级GNSS平面控制网和第二级GNSS平面控制网；所述多个第一控制点与所述第二级GNSS平面控制网的第二控制点共点；
所述激光跟踪仪测量所述首级GNSS三维控制网；在所述首级GNSS三维控制网的测量结果满足第一要求时，基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行平面网测设，获得满足第二要求的CFIII平面控制网；以及基于所述激光跟踪仪对所述多个第一控制点进行高程网测设，获得满足第三要求的CFIII高程控制网；对所述CFIII平面控制网和CFIII高程控制网进行整合，以形成所述CFIII。
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CN117745096A (zh) * 2023-12-21 2024-03-22 中国矿业大学 一种控制网布测方案评价方法及系统

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