800T型惯导轨道测量仪外几何测量精度与设站距离影响分析
周浩
摘? 要：传统轨道几何状态测量仪在我国高速铁路建设及维护中广泛使用，采用停停走走测量模式，其工法成熟、测量精度高，能够根据轨道几何状态给出相应的调整/动道方案，以便指导轨道调整与维护。全站仪与惯导组合型轨道几何状态测量仪采用连续移动式测量模式，测量效率约为传统轨道几何状态测量仪的15倍。文章主要分析同一设备在相同测量环境下，其由惯导零偏决定的，测量精度与设站距离之间的关系。探索不同阶段轨道精测应用场景下功效分析，在满足施工需求的前提下，为形成更加精准高效的施工方案提供实测分析支撑。
关键词：惯导轨道测量仪;常规轨道测量仪;惯性导航仪;轨道控制网（CPⅢ）;设站距离;平面偏差;高程偏差;轨距偏差;超高偏差
中图分类号：U216.3? ? ? ? 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2095-2945（2020）21-0001-4
Abstract： The traditional track geometry measuring instrument is widely used in the construction and maintenance of high-speed railway in our country. The stop-and-go measurement mode is adopted， which has mature construction method and high measurement accuracy， and can give the corresponding adjustment/moving track scheme according to the track geometry state， so as to guide track adjustment and maintenance. The combined total station and inertial navigation track geometry measuring instrument adopts the continuous mobile measurement mode， and the measuring efficiency is about 15 times higher than that of the traditional track geometry measuring instrument. This paper mainly analyzes the relationship between the measurement accuracy and the distance of the station， which is determined by the zero deviation of inertial navigation of the same equipment in the same measurement environment. The purpose of this paper is to explore the efficacy analysis under the application scenarios of track precision measurement in different stages， and to provide practical analysis support for the formation of a more accurate and efficient construction scheme on the premise of meeting the construction requirements.
Keywords： inertial navigation orbit measuring instrument; conventional orbit measuring instrument; inertial navigator; orbit control network （CPIII）; distance of setting station; plane deviation; elevation deviation; rail gauge deviation; superelevation deviation
1 背景
我國高速铁路工程测量平面控制网在框架控制网（CP0）基础上分三级布设，其中第三级为轨道控制网（CPⅢ），主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准。
传统轨道几何状态测量仪（以下简称“轨道测量仪”）以轨道控制网（CPⅢ）为基准，全站仪架设在轨道中线附近且离测量小车60m，整平，采用附近8个轨道控制网（CPⅢ）后方交会自由设站，测量步长以轨枕为基准，测量效率约为：120米/小时。
新型的全站仪惯导型轨道几何状态测量仪（以下简称“惯导轨道测量仪”），全站仪放置在测量小车上，以快速连续移动的方式进行轨道几何参数测量。每隔一定距离首尾使用全站仪测量8个轨道控制网（CPⅢ），进行非整平后方交会自由设站，可以输出任意里程轨道实测数据，测量效率2～3km/h。
惯导轨道测量仪在相同测量环境下，其“绝对”测量精度与设站距离有着直接关系。既有线路普查性监测应用中，“绝对”测量精度是首要关注点，同时测量效率越高，对应的生产成本就越低;新建线路轨道铺设中，前期轨道精测中测量效率是首要关注点，对“绝对”测量精度的要求相对较低（轨道粗铺与设计偏差大，需要逐步调整到位，一般从粗铺到合格，需要6遍左右）。
本文参考相关《标准》的实验方法，选取一段高铁无砟轨道试验线路，分析惯导轨道测量仪测量精度与设站距离之间的关系，形成更加精准高效的施工方案，用于不同工况下轨道精测作业。
2 试验场地选取及数据采集
現场条件：实验线路为成浦城际铁路，全程为双块式无砟既有线路。试验时间2019年12月12日天窗，天窗期：210分钟。里程K9+020～K13+192段，实验线路长度4172m，线路平曲线为直线段，线路竖曲线包含：半径15000m，坡率2.5‰，整条实验区段在桥梁上。
实验方法：使用惯导轨道测量仪多点控制模式，每60m（约一对CPIII间距，实际以CPIII间距为准）间距进行非整平后方交会自由设站，推行速度以3～5km/h为宜。作业前仪器设备按照使用标准进行标定，轨道控制网（CPⅢ）棱镜必须摆放到位，设站精度执行规范标准。
实验设备：全站仪惯导型轨道几何状态测量仪，型号：SGJ-T-DT-2，编号：D19010100020。整套设备包含：徕卡TS16全站仪一台，惯导轨道测量小车一套（集成惯性导航仪、轨距测量系统、里程测量系统、供电系统、数据采集系统、推杆等），军用级笔记本电脑（CF-19，数据采集分析软件运行平台）。
2.1 测试依据的规范及标准
《铁路工程测量规范》TB10101-2018
《铁路轨道检查仪》TB/T3147-2012
《客运专线轨道几何状态测量仪暂行技术条件》科技基[2008]86号
2.2 数据分析策略
为了排除测量误差、CPIII误差等诸多因素影响，实验数据分析时，采用同一组数据分别使用60m设站、120m设站、180m设站、240m设站、300m设站参与惯导数据绝对控制，得到轨道平面/高程绝对偏差量，用于本文的对比分析。数据分析以图形形式展示，图中以轨枕间距为样本（约0.625m），以里程为横轴，偏差量为竖轴，考察同一里程位置的数据一致性。
2.3 60m/120m测站数据对比分析
数据采集时，按照60m一测站采集数据;数据解算时，先按照60m测站解算数据，得到60m设站条件下轨道平面/高程绝对偏差量;再按照120m（将测站抽稀）测站解算数据，得到120m设站条件下轨道平面/高程偏差量;最后将两者数据进行对比。
如图1，AIS800T轨道平面绝对偏差一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差1mm。
如图2，AIS800T高程偏差一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差0.5mm。
2.4 60m/120m/180m测站数据对比分析
按照180m测站解算数据，得到180m设站条件下轨道平面/高程绝对偏差量;将60m/120m/180m三者数据进行对比分析。
如图3，AIS800T轨道平面绝对偏差量 60m/120m/180m一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差1.5mm。
如图4，AIS800T轨道高程绝对偏差量 60m/120m/180m一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差<1mm。
2.5 60m/120m/180m/240m测站数据对比分析
按照240m测站解算数据，得到240m设站条件下轨道平面/高程绝对偏差量;将60m/120m/180m/240m四者数据进行对比分析。
如图5，AIS800T轨道平面绝对偏差量 60m/120m/180m/240m一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差<2mm。
如图6，AIS800T轨道高程绝对偏差量 60m/120m/180m/240m一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差<1.5mm。
2.6 60m/120m/180m/240m/300m测站数据对比分析
按照300m测站解算数据，得到300m设站条件下轨道平面/高程绝对偏差量;将60m/120m/180m/240m/300m五者数据进行对比分析。
如图7，AIS800T轨道平面绝对偏差量60m/120m/180m/240m轨道变化趋势一致，最大偏差达到了3.5mm。
如图8，AIS800T轨道高程绝对偏差量 60m/120m/180m/240m/300m一致性很好，部分相对差异较大地段，最大偏差<1.5mm。
3 实验分析结论
通过AIS800T轨道平面/高程绝对偏差60m/120m/180m/240m/300m测站数据对比分析可以得到如下结论：（1）AIS800T在不考虑CPIII误差与测量误差的情况下，设站距离会对测量精度造成一定的影响，距离越长影响越大;（2）设站距离≯240m（实际距离超过260m）时，轨道平面绝对偏差<2mm，轨道高程绝对偏差<1.5mm;（3）设站距离≯180m（实际距离超过195m）时，轨道平面绝对偏差<1.5mm，轨道高程绝对偏差<1mm;（4）设站距离≯120m（实际距离超过130m）时，轨道平面/高程绝对偏差<1mm;（5）设站距离>300m（实际距离超过325m）时，轨道平面绝对偏差<3.5mm;轨道高程绝对偏差<1.5mm。
建议实际使用过程中，设站间距以120m最为合适，最大不宜超过180m，设站距离过近，对精度提升不明显且影响测量效率。如果在轨道粗调过程中可以适当放宽设站距离，从而取得更高的测量效率。
参考文献：
[1]陈起金.基于A-INS组合导航的铁路轨道几何状态精密测量技术研究[D].武汉大学，2016.
[2]科技基[2008]86号.客运专线轨道几何状态测量仪暂行技术条件[Z].2008.
[3]国家铁路局.铁路工程测量规范，TP10101-2018，J961-2018[S].北京：中国铁路出版社，2018.
