本發(fā)明涉及高速鐵路軌道控制網(wǎng)(平面網(wǎng))數(shù)據(jù)處理
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種CPIII控制網(wǎng)平差方法。
背景技術(shù)：
：為了保證列車(chē)在高速行駛條件下的安全性和舒適性，高速鐵路軌道必須具有非常高的平順性和精確的幾何線形參數(shù)，包括軌道內(nèi)部幾何尺寸(軌道自身的幾何尺寸)與外部幾何尺寸(軌道與周?chē)ㄖ锏南鄬?duì)尺寸)，如軌距、軌向、高低、水平、扭曲、與設(shè)計(jì)高程及中線的偏差等。其中，內(nèi)部幾何尺寸用于描述軌道的幾何形狀，主要影響軌道的平順性；外部幾何尺寸用于描述軌道在空間中的位置和標(biāo)高。如何確保高速鐵路軌道內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)的合理性和穩(wěn)定性是高速鐵路建設(shè)和維護(hù)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。無(wú)砟軌道的內(nèi)、外部幾何尺寸的測(cè)量稱(chēng)為軌道的相對(duì)定位和絕對(duì)定位測(cè)量。目前，無(wú)砟軌道的相對(duì)定位通常是利用絕對(duì)定位方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此絕對(duì)定位精度必須滿(mǎn)足相對(duì)定位的精度要求，即軌道平順性的要求。由于CPIII控制網(wǎng)(本文特指CPIII平面網(wǎng))是軌道絕對(duì)定位的控制基準(zhǔn)，因此軌道的相對(duì)定位對(duì)絕對(duì)定位的要求就轉(zhuǎn)嫁成了對(duì)CPIII控制網(wǎng)相對(duì)精度的要求。由此可見(jiàn)，CPIII控制網(wǎng)必須同時(shí)滿(mǎn)足軌道絕對(duì)定位和相對(duì)定位的精度要求。由于高速鐵路對(duì)軌道內(nèi)部幾何尺寸的要求嚴(yán)于對(duì)軌道外部幾何尺寸的要求，因此作者認(rèn)為，CPIII控制網(wǎng)應(yīng)優(yōu)先滿(mǎn)足軌道內(nèi)部幾何尺寸的要求。德國(guó)采用“控制網(wǎng)置平”方法得到的PS4(相當(dāng)于我國(guó)的CPIII)便優(yōu)先滿(mǎn)足了軌道內(nèi)部幾何尺寸的要求，同時(shí)兼顧了軌道外部幾何尺寸的要求。而我國(guó)采用約束平差方法得到的CPIII控制網(wǎng)則側(cè)重于滿(mǎn)足軌道外部幾何尺寸的精度要求，并未優(yōu)先考慮軌道內(nèi)部幾何尺寸的精度要求。然而，由于德國(guó)對(duì)“控制網(wǎng)置平”方法采取了保密措施，國(guó)內(nèi)僅有極少數(shù)人聲稱(chēng)掌握了其平差原理，導(dǎo)致該算法未能在我國(guó)普及。目前，我國(guó)仍普遍采用約束平差方法進(jìn)行CPIII控制網(wǎng)處理。約束平差法的實(shí)質(zhì)是將CPIII控制網(wǎng)強(qiáng)制拉入到線路設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，這不僅會(huì)造成CPIII控制網(wǎng)的扭曲，還會(huì)造成控制網(wǎng)的尺度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺度不符。由此可見(jiàn)，約束平差法得到的CPIII控制網(wǎng)不利于對(duì)軌道內(nèi)部幾何尺寸的評(píng)價(jià)與調(diào)整，是一種側(cè)重于滿(mǎn)足軌道外部幾何尺寸要求的方法。因此，有必要研究能夠優(yōu)先滿(mǎn)足軌道內(nèi)部幾何尺寸要求(且能夠滿(mǎn)足軌道外部幾何尺寸的要求)的CPIII控制網(wǎng)平差新方法，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CPIII控制網(wǎng)平差新方法，這對(duì)高速鐵路建設(shè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)進(jìn)一步提高我國(guó)高鐵精密工程測(cè)量技術(shù)水平具有重要意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種CPIII控制網(wǎng)平差方法，能夠優(yōu)先滿(mǎn)足軌道內(nèi)部幾何尺寸要求，同時(shí)又能夠滿(mǎn)足軌道外部幾何尺寸要求，克服約束平差用于CPIII控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的缺陷。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：CPIII控制網(wǎng)平差方法，其特征在于：包括以下步驟：第一步：開(kāi)列誤差方程：參與平差的CPIII控制網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分為方向觀測(cè)值和水平距離觀測(cè)值兩種；方向觀測(cè)值的誤差方程為：vki=-dzk+akix^k+bkiy^k+aikx^i+biky^i-lki---(0)]]>式中，式中，vki是方向觀測(cè)值的改正數(shù)；分別為k、i點(diǎn)的近似坐標(biāo)值；分別為k、i點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)；ski是由點(diǎn)k和i的近似坐標(biāo)計(jì)算的水平距離近似值；Lki為點(diǎn)k至點(diǎn)i的方向觀測(cè)值；為點(diǎn)k和i的近似坐標(biāo)計(jì)算的近似方位角；為定向角未知數(shù)的近似值；dzk為定向角近似值的改正數(shù)；ρ″≈206264.8；水平距離觀測(cè)值的誤差方程為：vski=ckix^k+dkiy^k+cikx^i+diky^i-lski---(2)]]>式中，式中，vski是水平距離觀測(cè)值的改正數(shù)；分別為k、i點(diǎn)的近似坐標(biāo)值；分別為k、i點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)；ski為點(diǎn)k和i的水平距離觀測(cè)值；為由兩點(diǎn)近似坐標(biāo)計(jì)算的水平距離近似值；方向觀測(cè)值和水平距離觀測(cè)值的誤差方程由以下矩陣形式表示：v=Ax^-l---(3)]]>式中，v為方向觀測(cè)值和水平距離觀測(cè)值的改正數(shù)陣；A為誤差方程系數(shù)陣；l為誤差方程的常數(shù)項(xiàng)陣；第二步：建立平差模型：自由尺度擬穩(wěn)平差法的平差模型由誤差方程、附加條件方程和平差準(zhǔn)則構(gòu)成，如下：v=Ax^-lGTx^=0vTPv=min---(4)]]>式中，v為觀測(cè)值殘差陣；A為誤差方程系數(shù)陣；為待估參數(shù)陣；l為誤差方程常數(shù)項(xiàng)陣；GT為附加條件陣；P為觀測(cè)值權(quán)陣；其中：式中，δxi、δyi為網(wǎng)點(diǎn)重心化后的坐標(biāo)值；m1為網(wǎng)中聯(lián)測(cè)的已知點(diǎn)的個(gè)數(shù)，包括CPI和CPII點(diǎn)；m2為網(wǎng)中待定點(diǎn)的個(gè)數(shù)，包括CPIII點(diǎn)和全站儀自由測(cè)站點(diǎn)；s為全區(qū)定向角未知數(shù)的個(gè)數(shù)；附加條件陣(5)中，第一行與已知點(diǎn)x坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)位置的值為1，其余均為0；第二行與已知點(diǎn)y坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)位置的值為1，其余均為0；第三行與待定點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置的值均為0；第三步：模型解算：根據(jù)第二步的模型，可得出參數(shù)估值為：dX＝(ATPA+GGT)-1ATPL(6)參數(shù)估值的協(xié)因數(shù)陣為：QX＝(N+GGT)-1N(N+GGT)-1(7)式中，N＝ATPA；驗(yàn)后單位權(quán)中誤差為：δ^0=vTPvn-(2t-d)-s---(8)]]>式中，n為總觀測(cè)值數(shù)；t＝m1+m2為全網(wǎng)總點(diǎn)數(shù)；d＝3為必要起算基準(zhǔn)數(shù)，包括2個(gè)位置基準(zhǔn)和1個(gè)方位基準(zhǔn)。平差后得到已知點(diǎn)的新坐標(biāo)，新坐標(biāo)與原坐標(biāo)之差控制在5mm的范圍內(nèi)，否則剔除該已知點(diǎn)或?qū)⒃撘阎c(diǎn)視為待定點(diǎn)參與平差。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、該平差方法不受原始數(shù)據(jù)誤差的影響，保留了CPIII控制網(wǎng)的原始測(cè)量精度和原始尺度；2、該平差方法采用了擬合的思想，未將CPIII控制網(wǎng)強(qiáng)制拉入到高斯投影面中，從而使高精度的CPIII控制網(wǎng)不會(huì)受到扭曲，有利于軌道內(nèi)部幾何尺寸的評(píng)價(jià)與調(diào)整；3、該平差方法提供的平差基準(zhǔn)不含尺度基準(zhǔn)，其實(shí)質(zhì)是，平差時(shí)，以外業(yè)采集的水平距離作為尺度基準(zhǔn)。而外業(yè)采集的水平距離所在高程面與該處的軌道高程面近似相同，故能夠近似最佳的滿(mǎn)足軌道內(nèi)部幾何尺寸的要求，即優(yōu)先滿(mǎn)了軌道內(nèi)部幾何尺寸的要求；4、該平差方法通過(guò)位置基準(zhǔn)和方位基準(zhǔn)將CPIII控制網(wǎng)納入到了線路設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中，使CPIII控制網(wǎng)能夠滿(mǎn)足高速鐵路“三網(wǎng)合一”的要求，從而也能夠滿(mǎn)足軌道外部幾何尺寸的要求。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。本發(fā)明涉及的CPIII控制網(wǎng)平差方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)：第一步：開(kāi)列誤差方程參與平差的CPIII控制網(wǎng)(平面網(wǎng))觀測(cè)數(shù)據(jù)可分為方向觀測(cè)值和水平距離觀測(cè)值兩種。方向觀測(cè)值的誤差方程為：vki=-dzk+akix^k+bkiy^k+aikx^i+biky^i-lki---(0)]]>式中，式中，vki是方向觀測(cè)值的改正數(shù)；分別為k、i點(diǎn)的近似坐標(biāo)值；分別為k、i點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)；ski是由點(diǎn)k和i的近似坐標(biāo)計(jì)算的水平距離近似值；Lki為點(diǎn)k至點(diǎn)i的方向觀測(cè)值；為點(diǎn)k和i的近似坐標(biāo)計(jì)算的近似方位角；為定向角未知數(shù)的近似值；dzk為定向角近似值的改正數(shù)；ρ″≈206264.8。水平距離觀測(cè)值的誤差方程為：vski=ckix^k+dkiy^k+cikx^i+diky^i-lski---(10)]]>式中，式中，vski是水平距離觀測(cè)值的改正數(shù)；分別為k、i點(diǎn)的近似坐標(biāo)值；分別為k、i點(diǎn)的坐標(biāo)改正數(shù)；ski為點(diǎn)k和i的水平距離觀測(cè)值；為由兩點(diǎn)近似坐標(biāo)計(jì)算的水平距離近似值。方向觀測(cè)值和水平距離觀測(cè)值的誤差方程可由以下矩陣形式表示：v=Ax^-l---(11)]]>式中，v為方向觀測(cè)值和水平距離觀測(cè)值的改正數(shù)陣；A為誤差方程系數(shù)陣；l為誤差方程的常數(shù)項(xiàng)陣。第二步：建立平差模型自由尺度擬穩(wěn)平差法的平差模型由誤差方程、附加條件方程(也稱(chēng)基準(zhǔn)方程)和平差準(zhǔn)則構(gòu)成，如下：v=Ax^-lGTx^=0vTPv=min---(12)]]>式中，v為觀測(cè)值殘差陣；A為誤差方程系數(shù)陣；為待估參數(shù)陣；l為誤差方程常數(shù)項(xiàng)陣；GT為附加條件陣；P為觀測(cè)值權(quán)陣。其中式中，δxi、δyi為網(wǎng)點(diǎn)重心化后的坐標(biāo)值；m1為網(wǎng)中聯(lián)測(cè)的已知點(diǎn)(包括CPI和CPII點(diǎn))的個(gè)數(shù)；m2為網(wǎng)中待定點(diǎn)(包括CPIII點(diǎn)和全站儀自由測(cè)站點(diǎn))的個(gè)數(shù)；s為全區(qū)定向角未知數(shù)的個(gè)數(shù)。上述附加條件矩陣(5)中，第一行與已知點(diǎn)x坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)位置的值為1，其余均為0；第二行與已知點(diǎn)y坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)位置的值為1，其余均為0；第三行與待定點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置的值均為0。第三步：模型解算根據(jù)上述模型，可得出參數(shù)(控制點(diǎn)近似坐標(biāo)的改正數(shù))估值為：dX＝(ATPA+GGT)-1ATPL(14)參數(shù)估值的協(xié)因數(shù)陣為：QX＝(N+GGT)-1N(N+GGT)-1(15)式中，N＝ATPA。驗(yàn)后單位權(quán)中誤差為：δ^0=vTPvn-(2t-d)-s---(16)]]>式中，n為總觀測(cè)值數(shù)；t＝m1+m2為全網(wǎng)總點(diǎn)數(shù)；d＝3為必要起算基準(zhǔn)數(shù)(包括2個(gè)位置基準(zhǔn)和1個(gè)方位基準(zhǔn))。本發(fā)明涉及的CPIII控制網(wǎng)平差方法實(shí)施時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：1、不需要對(duì)全站儀原始觀測(cè)數(shù)據(jù)做兩化改正處理；2、平差后會(huì)得到已知點(diǎn)的新坐標(biāo)，新坐標(biāo)與原坐標(biāo)之差建議控制在5mm的范圍內(nèi)，否則應(yīng)剔除該已知點(diǎn)或?qū)⒃撘阎c(diǎn)視為待定點(diǎn)參與平差；3、當(dāng)已知點(diǎn)的新坐標(biāo)與原坐標(biāo)之差普遍偏大時(shí)，應(yīng)分析已知點(diǎn)的穩(wěn)定性，不得采用變動(dòng)的或不兼容的已知點(diǎn)坐標(biāo)參與平差，否則將難以滿(mǎn)足軌道外部幾何尺寸的要求。建議將已知點(diǎn)新坐標(biāo)與原坐標(biāo)的較差作為控制指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)CPIII控制網(wǎng)的絕對(duì)精度。4、由于相鄰點(diǎn)的相對(duì)中誤差與方位基準(zhǔn)有關(guān)，當(dāng)CPIII控制網(wǎng)采用該平差方法時(shí)，不應(yīng)采用該指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)CPIII控制網(wǎng)的相對(duì)精度。建議采用距離中誤差和角度中誤差來(lái)評(píng)價(jià)CPIII控制網(wǎng)的相對(duì)精度。實(shí)例驗(yàn)證及精度分析：本發(fā)明收集國(guó)內(nèi)某高鐵一段長(zhǎng)約5km的CPIII控制網(wǎng)的平面觀測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證該平差方法的可行性。利用該平差方法對(duì)進(jìn)行處理，所得主要精度信息統(tǒng)計(jì)情況如下表：表1該CPIII網(wǎng)主要精度信息統(tǒng)計(jì)表由上表1可知，利用自由尺度擬穩(wěn)平差方法得到的CPIII控制網(wǎng)總體精度良好，其中距離觀測(cè)中誤差和方向觀測(cè)中誤差兩項(xiàng)精度指標(biāo)均遠(yuǎn)小于《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中的要求；相鄰點(diǎn)的相對(duì)點(diǎn)位中誤差的最大值為0.6mm，滿(mǎn)足規(guī)范中限差為1mm的要求。本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明說(shuō)明書(shū)而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3