高铁工程测量误差的产生原因及对策

张启业 陈德虎

摘 要：目前高速铁路在我国越来越受到国家的重视，一条又一条的高铁线路正在修建，如此罕见的规模给我国的测量工作人员带来了难得的机遇。本文首先简单介绍了高铁测量工作的系统与流程，引出误差产生的原因，最后对于不同的误差产生方式讨论出了不同的减弱误差措施。

关键词：高铁测量；误差；误差减弱；GPS测量；CPⅢ控制网

近年来，随着我国科技经济的快速发展，高速铁路得到了大规模的建设发展。如此罕见的规模给我国的测量工作人员带来了难得的机遇，但随之而来的是高速铁路建设测量如何进行的巨大挑战，传统的测量技术已不能完全的适用于高速铁路的测量。通过引进国外先进技术，我国铁道部在2009年出版了最新的“高速铁路工程测量规范（TBl06012009）”，高速铁路工程测量平面系统统一采用工程独立坐标系统，并且规定高斯投影边长变形值在对应的轨道设计高程面上必须小于等于10mm/km。在过去，由于铁路运行速度低，对轨道平顺要求低，勘测、施工过程中并没有建立一套相适应的完整的控制测量系统。而目前，高速铁路的测量系统采用的是精密测量系统，它包含了平面控制和高程控制两个部分，而平面测量控制网又分为3级：CPI、CPⅡ、CPⅢ，统一采用国家坐标系统，这将更加规范化和系统化。各级平面控制网的特点及作用是：

1）CPI主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准，通常采用GPS测量；

2）CPⅡ在高速铁路的定测阶段完成主要为勘测和线下工程施工提供控制基准，严格按照C级GPS网的规范要求测量；

3）CPⅢ在无砟轨道铺设阶段布设完成，主要为轨道铺设和运营维护提供控制基础，主要为精调测量的全站仪后方交会提供已知点，采用后方交会全站仪自由设站的形式进行测量。

通过以上三点我们可以知道，造成高速铁路工程测量误差的原因一个来自于GPS的测量误差，另外一个来源于CPⅢ控制测量的误差。

1 测量误差的产生原因

1.1 GPS测量误差

对于前两个阶段的高铁工程测量，均是采用GPS测量方式进行测量，而GPS测量误差的来源总的可以分为三类：

1）与控制段有关的误差，是指在卫星传播过程中导航电文的参数值的误差。这包括了卫星时钟误差和星历误差；

2）与卫星信号传播有关的误差，是指GPS信号受到卫星和接收机之间的传播介质的影响所产生的误差。这些误差源包括信号折射，波的传播和色散介质，以及电离层延迟和对流层延迟；

3）与接收机有关的误差，这包含了接收机噪声引起的误差和多径效应。

1.2 CPⅢ控制测量误差

高速铁路工程测量过程中CPⅢ控制网测量采用的是后方交会全站仪自由设站的形式测量。在测量过程中误差主要来源于：

1）全站仪测量轨道各点的误差；

2）两相邻测站在平面位置和高程产生的相对误差；

3）由观测值误差产生的自由设站点位误差，这主要是由方向观测误差引起。

2 测量误差的减弱措施

2.1 GPS测量误差的减弱措施

卫星时钟的误差在一个观测时段内属于系统误差，它包含钟差、频偏、频飘等产生的误差，也包含钟的随机误差。对于卫星时钟的误差一般可采取钟差改正法和差分技术来进行消除。而对于星历误差，可采用相位观测量求差的方法来消除，从而获取高精度的相对坐标。而对于长距离、高精度的测量可以采取精密星历来进行削弱。此外，对于整体的星历误差还能通过建立卫星跟踪网独立测轨、轨道改进法、同步求差法达到消除的目的。

与卫星传播有关的误差，由于电离层是距地面50m～1000m的一个气态电离区域，卫星信号在传播过程中，电离层的折射可使得码相位测量变长，载波相位变短。要消除这方面的影响，可以通过倾斜因子系数加以解决，也可选择比较有利的观察时间段，在观测站采用同步观测量求差来消除。对流层对信号传播的影响不像电离层折射那样与信号频率没有关系，它造成的误差影响取决于信号路径中空气的折射率，这便于空气密度有关。因此要减弱这方面的影响可采取对流层模型或者相应的映射函数加以解决。

与接收站有关的误差，可采用差分法，或者在求解的时候将接收机的钟差作为独立未知数。如若有必要高精度定位，则可采用外接频标，提供高精度的时间标准给接收站。而对于观测引起的误差，在精密定位中注意整平天线，仔细对中便可消除。

2.2 CPⅢ控制测量误差的减弱措施

对于一个测站上全站仪测量所产生的误差，不能完全消除只能减弱，一个测站上所测量的轨道各点在竖直方向的不平顺性与观测高度高度角度有关，在水平方向的不平顺性与观测水平方向有关，则正矢误差与误差角度以及测量距离有密切关系，要减弱正矢误差，就需要严格控制观测角度和观测距离的误差，尽量缩小观测距离。

高速铁路工程测量是一项要求比较严格，精密度极高的测量工程，为了减小误差，在测量过程中测量程序必须符合“规范”里的高标准要求，要保证轨道的平顺性和列车的行驶的安全，就要严格控制全站仪后方交会设点站的精度，对全站仪的设站点精度进行全面细致的分析。根据我国现行规范《客运专线无砟轨道铁路工程测量暂行规定》，CPⅡ控制点间距为800m～l000m，当CPⅢ控制网观测方向中误差为±2”，边长中误差为±2mm，最弱点点位中误差为±4mm，两相邻测站点相对点位中误差小于或等于1.5m，这完全可以满足10mm/150m/300 长波平顺性的要求。相邻CP II控制点的相对点位中误差约为10mm，因此CPⅢ控制网联测CPⅡ控制点的间隔不能过短，也就是说CPⅡ控制点间距宜为600m～1200m，相邻的CPⅡ控制点相对点位误差控制在10mm。

参考文献

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（作者单位：温州市勘察测绘研究院）