高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研制报告（终版之一）

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统评审技术文件之一

高速铁路轨道基准网 数据采集与处理系统

研发报告

中铁工程设计咨询集团有限公司

西南交通大学 2010年5月18日

The First Accreditation Technical Documents of Track Reference Network Data Measurement and Processing System for High Speed Railway

Report on Research and Development

of Track Reference Network

Data Measurement and Processing System

for High Speed Railway

China Railway Engineering Consultants Group

Southwest Jiaotong University

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

一、课题组提交的评审资料目录

1．高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告 2．高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统需求分析报告 3．高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统系统设计报告 4．TRN DPS与德国PVP软件平差计算结果的比对测试报告 5．高速铁路轨道基准网数据采集软件用户手册 6．高速铁路轨道基准网数据处理软件用户手册

7．高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发查新报告 8．高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统用户使用证明

二、课题组主要研究人员

1．课题组组长：刘成龙，课题组副组长：张金龙

2．课题组主要研究人员：杨友涛、王国民、杨雪峰、李书亮、张银

虎、马文静、雷巨光、郑健、孟东坡、何波、刘林、邓川、王磊、张绪丰、赵梦杰、黄志伟、袁恒、孙太山、赵政权

3．研发报告编写：刘成龙、杨雪峰 复核：杨友涛、何波 审核：张金龙、王国民

目 录

1 轨道基准网及其作用 .......................................................................................................................... 1 2 轨道基准网数据采集与处理系统研发的必要性 .............................................................................. 2 3 系统研发的技术依据 .......................................................................................................................... 3 4 轨道基准点的布设方法及其点位标志 .............................................................................................. 3 5 轨道基准网的主要精度要求 .............................................................................................................. 5 6 轨道基准网的外业测量方法 .............................................................................................................. 6 7 轨道基准网的数据处理方法 ............................................................................................................ 11 7.1 GRP点平面坐标测量的数据处理方法 ...................................................................................... 11 7.1.1 GRP点平面坐标计算的原理 .............................................................................................. 11 7.1.2 搭接点两套坐标余弦函数平滑的原理 .............................................................................. 12 7.2 GRP点高程测量的数据处理方法 .............................................................................................. 13 7.2.1 德国GRP点高程测量数据处理的原理 ............................................................................ 13 7.2.2 课题组提出的GRP点高程测量数据处理的原理 ............................................................ 14 7.2.3 两种高程计算方法计算结果的比较分析 .......................................................................... 15 8 轨道基准网精度的评定方法 ............................................................................................................ 17

8.1 平面网精度的评定原理 ......................................................................................................... 17 8.2 高程网精度评定的原理 ......................................................................................................... 18 9 轨道基准网数据采集与处理软件的研制 ........................................................................................ 19 9.1 TRN数据采集软件的研制 ......................................................................................................... 19 9.2 TRN数据处理软件研制 ............................................................................................................. 23 10 系统使用的效率与社会和经济效益分析 ...................................................................................... 25 11 主要结论 .......................................................................................................................................... 27 12 结束语 .............................................................................................................................................. 27

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

1 轨道基准网及其作用

博格板式无砟轨道系统技术是我国引进的一种无砟轨道结构形式，经过消化、吸收、再创新，形成中国特色的板式无砟轨道，称为Ⅱ型板式无砟轨道技术。在高速铁路精密工程测量方面，博格无碴轨道系统与其它轨道系统的重要区别之一，是在轨道控制网CPⅢ下多了一级加密控制网，这一级网德国称之为GRN，我国目前称之为轨道基准网（TRN）。轨道基准网由一系列的控制点组成，这些控制点德国称之为GRP，我国目前称之为轨道基准点，为简单明了，本文中仍沿用德国称法，称之为GRP。在Ⅱ型无砟轨道板施工过程中，轨道基准网主要作为轨道板精调施工测量控制的基准，而轨道的精调则仍是以CPⅢ控制网作为其测量控制的基准。

实际上，为了加快I型无砟轨道板和轨道精调的速度，也可为I型无砟轨道板布设轨道基准网。在沪宁城际铁路的建设过程中，便布设了轨道基准网。沪宁城际铁路的轨道基准网，不仅作为精调I型无砟轨道板的测量基准，而且还作为轨道精调的基准。实践证明，沪宁城际铁路的轨道基准网，不仅为轨道板和轨道的顺利和高精度精调打下了良好的测量基础，而且为保证沪宁城际铁路的建设工期创造了有利的条件。

轨道基准网的GRP点布设于6.5m间隔的Ⅱ型板板缝之间，GRP点数量众多。轨道基准网是一个三维控制网，精度要求极高，平面网要求相邻GRP点之间的相对点位中误差小于0.2mm，高程网要求相邻GRP之间的高差中误差小于0.1mm。轨道基准网的上一级测量基准是轨道控制网CPⅢ，平面网是采用全站仪自由测站极坐标测量的方法获得各GRP点的站心坐标，相邻自由测站之间搭接一定数量的GRP点，再采用坐标转换的方法把各GRP点的站心坐标转换到线路坐标系中，由此获得各GRP点的施工坐标，因此轨道基准网之平面网，实质上是自由测站极坐标散点网。轨道基准网之高程网，是采用电子水准仪中视高差测量的方法，测量CPⅢ点到GRP点之间的高差和相邻GRP点之间的高差，水准路线在两个CPⅢ点间形成附合水准路线，因此轨道基准网之高程网，实质上仍是水准网。

因为轨道基准网控制点的密度和相对精度都很高，以轨道基准网作为无砟

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第1页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告 轨道精调的基准，相邻轨道板之间的平顺度由此得到保证，使得无砟轨道更加平顺。 一般地，可通过图1所示的顺序建立轨道基准网。 框架控制网基础控制网CPI线路控制网CPⅡ轨道控制网CPⅢ轨道基准网TRN 图1-1 高速铁路精密控制网建网顺序示意图

CPO2 轨道基准网数据采集与处理系统研发的必要性

德国的轨道基准网之平面网的外业测量，是采用人工测量的方法，逐个对CPⅢ点和GRP点进行极坐标测量。由于人工测量的速度慢、效率低，外界因数对观测值的影响大，对确保轨道基准网之平面网的精度不利；此外，由于在轨道基准网测量时，沿线的CPⅢ点坐标是已知的；还有，轨道基准网测量的全站仪，都是高精度的智能型全站仪；最后，为了在我国的轨道基准网外业测量过程中有技术创新，我们认为不仅有必要研发轨道基准网外业自动测量的控制软件，而且研发轨道基准网外业自动测量控制软件的条件已经具备。

轨道基准网外业测量的观测数据众多，而且都是以电子文件的形式保存在全站仪和水准仪的磁卡中。德国对轨道基准网的外业数据处理，有一套成熟的数据处理软件，这套轨道基准网数据处理软件是德国博格无砟轨道系统软件PVP中的一个子软件。为了实现轨道基准网数据处理技术的国产化，我们应该研发具有自主知识产权的轨道基准网数据处理软件，这不仅可以加深对德国轨道基准网建网技术的学习和消化吸收，而且还可以在德国技术的基础上进行创新。

综上所述，为了提升我国高速铁路精密工程测量的综合技术，我们不仅应该，而且非常迫切和需要立项研发国产的轨道基准网数据采集与数据处理系统。我们期望将来的我国轨道基准网外业测量及其内业数据处理，能够像现在的轨道控制网CPⅢ外业测量及其数据处理一样，全部采用具有自主知识产权的国产化技术。

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第2页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

3 系统研发的技术依据

我们在研发轨道基准网数据采集与数据处理系统时，主要参照了以下有关的规范和技术资料：

（1）《高速铁路工程测量规范》TB10601-2009（铁建设[2009]196号）； （2）《高速铁路无砟轨道工程施工精调作业指南》（铁建设函[2009]674号）； （3）《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）； （4）德国博格公司的相关技术资料。

4 轨道基准点的布设方法及其点位标志 4.1轨道基准点设计坐标的计算与放样

由于Ⅱ型无砟轨道板精调施工，需要同时布设轨道板定位点和轨道基准点，因此在正式测量前需要对轨道板定位点和轨道基准点进行设计坐标的计算、放样以及埋设工作。

GRP埋设之前，首先需要利用相应铁路线路的设计参数，计算直线段、圆曲线段和缓和曲线段上将要埋设GRP点的设计里程和设计坐标，计算时要考虑圆曲线段和缓和曲线段超高对GRP点设计位置的影响，以保证后续GRP点放样、埋设和测量工作的顺利开展。GRP点设计坐标的计算应编制专用的软件进行。

在混凝土底座板或支承层施工完成后，依据轨道控制网CPⅢ，采用全站仪自由设站极坐标法测设轨道板定位点和轨道基准点。自由设站观测的CPⅢ控制点不宜少于3对。更换测站后，相邻测站重复观测的CPⅢ控制点不宜少于1对。

轨道板定位点和轨道基准点放样时，自由设站的精度应满足表4-1所示要求。

表4-1 轨道板定位点和轨道基准点放样时自由设站的精度要求 项 目 中误差 X ?2mm Y ?2mm H ?2mm 方 向 ?3'' 自由设站测量完成和精度满足要求后，CPⅢ控制点的坐标残差应满足表4-2的要求。

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第3页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

表4-2 轨道板定位点和轨道基准点放样时CPⅢ控制点坐标残差限差要求 项 目 控制点残差 X ?2mm Y ?2mm H ?2mm 若CPⅢ控制点坐标残差不满足表4-2的要求时，在保证CPⅢ控制点不少于2对的前提下，应剔除超限的CPⅢ点并重新自由设站，直到自由设站的精度满足要求为止。

在自由设站精度和CPⅢ残差值均满足要求的前提下，可对轨道板定位点和轨道基准点进行坐标放样，放样时应满足以下三个要求：1）放样距离不应大于100m；2）轨道板定位点平面定位允许偏差不应大于5mm；3）轨道基准点平面定位允许偏差不应大于5mm。

4.2 轨道基准点的埋设及其点位标志

在轨道板定位点和轨道基准点放样后，应按要求对其进行埋设，轨道板定位点和轨道基准点应埋设于混凝土底座板或支承层上，其连线应垂直于轨道中线，并分别向左和向右偏离轨道中线0.10m，如图4-1所示。

图4-1 轨道板定位点与轨道基准点埋设位置示意图

轨道板定位点的位置应以轨道中线为基准，垂直于钢轨顶面连线，投影到混凝土底座板或支承层表面上。曲线地段轨道基准点应设于轨道中线的内侧，轨道板定位点设于轨道中线的外侧。直线地段应将轨道板定位点与轨道基准点分设于线路中线两侧，一般应位于线路中线的同一侧。当直线段前后的轨道基准点不在同一侧时，应在直线段予以变换调整，不得在曲线段上进行调整，轨道板定位点

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第4页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

和轨道基准点所用标志如图4-2所示。

（a）轨道板定位点 （b）轨道基准点 （c）现场布置图

图4-2 轨道板定位点与轨道基准点所用标志

在GRP埋设后，便可按要求对GRP点进行编号。

5 轨道基准网的主要精度要求

在轨道控制网CPⅢ测量和评估通过后，便可进行轨道基准网的测量工作。轨道基准网三维坐标的测量，应采用平面坐标和高程分开施测的方法进行。轨道基准网相邻GRP之间的平面和高程相对精度应满足表5-1的要求。

表5-1 相邻GRP点间相对精度要求

精度评定项目 平面网精度 高程网精度 相邻点间相对点位中误差 0.2mm 0.1mm 表5-1是大部分GRP测点相邻点间可以达到的相对点位中误差，由于GRP点的数量较多，当个别点不附合上述精度要求时可以将其去除。因为高速铁路工程中主要考虑的是线路平顺性，所以，所有的精度要求是指相邻点间的相对精度。

德国的平面网精度要求0.2mm的定义为：在一测站内测定GRP点平面坐标时，各GRP点是相对于测站本身的离散支点，视其多测回测量坐标的均值为真值。各次GRP坐标重复测量值与其均值之最大横向偏差规定为0.3mm，即限差为0.3mm；一般取限差的1/2为中误差，即中误差为0.15mm；因此本测站内相邻GRP点间的相对点位中误差为2?0.15?0.21mm。由于纵向偏差对平顺性的影响相对较小，故各次重复测量值与其均值之最大纵向偏差规定为0.4mm。

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第5页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

德国的高程网精度要求0.1mm的定义为：在一测站内测量各GRP点高程时，各GRP点是相对于测站本身的离散支点，0.1mm指的是相邻GRP点间高差的测量精度。目前大量使用的电子水准仪标称精度为0.3mm/km，重复测量结果表明，采用同一把水准尺测量相邻GRP点间高差的测量精度是可以达到0.1mm的，故规定GRP相邻点间相对高差中误差为0.1mm。

6 轨道基准网的外业测量方法

6.1轨道基准网平面坐标的测量方法

轨道基准网的平面坐标测量，应采用标称测距精度≤（1mm+2ppm）和标称方向测量精度≤1″的智能型全站仪进行。全站仪任意设站，通过与线路两侧4对CPⅢ控制点的联测，最终达到确定GRP点平面坐标的目的。

轨道基准网平面坐标的测量方法是：采用高精度测量机器人进行测量，左、右线分开分别测量，仪器自由设站在左线或右线的轨道中心线上，用正镜位半测回测量，多次重复观测，单向后退测量，测站与测站之间进行搭接。仪器设站在轨道中心线上，利用小角度测量，使得横向误差最小。 6.1.1 GRP点的平面坐标测量标志

GRP点的平面坐标测量时，既要对CPⅢ点进行观测，又要对GRP点进行观测。测量时，CPⅢ控制点的平面坐标测量标志，可采用国产化的各种CPⅢ专用测量标志；GRP点的平面坐标测量标志，则可采用如图6-1或图6-2所示的带有强制对中功能的精密GRP专用基座及其相应的精密专用棱镜。

图6-1天拓天宝精密GRP专用基座和专用棱镜

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第6页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

标。

为了验证坐标转换参数求解的正确性和各CPⅢ控制点的精度及稳定性，可利用平差后得到的坐标转换参数，对各CPⅢ点的本测站站心坐标系中的坐标均值进行坐标转换，若转换后大多数CPⅢ点（至少有6个点）的坐标与已知CPⅢ点的坐标的差值在2mm以内，则所求的坐标转换参数合格，否则应剔除坐标转换后坐标差值大于2mm的CPⅢ点（可视该CPⅢ点为不稳定点或精度不满足要求的点），并用剩余的CPⅢ点重新平差计算求解坐标转换参数，直到所求的坐标转换参数合格为止；若转换后大多数CPⅢ点（有4个点以上）的坐标与已知CPⅢ点的坐标的差值在2mm以上，则所求的坐标转换参数不合格，应重新进行本测站GRP点的平面坐标测量，甚至重新进行本区段的CPⅢ控制网测量，并重新平差计算求解坐标转换参数，直到所求的坐标转换参数合格。 7.1.2 搭接点两套坐标余弦函数平滑的原理

GRP点平面坐标测量不同测站搭接点两套坐标余弦函数平滑处理的原理，如图7-1所示。为了便于分析，假设前一测站所测的搭接GRP点偏向中线（x轴）上侧，当前测站所测的搭接GRP点偏向中线下侧，并将其纳入到数学坐标系下进行分析。

yAIOD11D21D31D41D51xΠ（L）D12D22D32D42D52B

图7-1 GRP平面测量余弦函数拟合示意图

如图7-1所示，D11、D21、D31、D41、D51为前一测站最后被搭接的5个GRP点，其坐标分别为；（X11,Y11）、（X21,Y21）、（X31,Y31）、（X41,Y41）、（X51,Y51）D12、D22、D32、D42、D52为当前测站搭接的5个GRP点，其坐标分别为

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第12页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

；（X12,Y12）、（X22,Y22）、（X32,Y32）、（X42,Y42）、（X52,Y52）A为前一测站离被搭接的5个GRP点最近的一个GRP点，B为当前测站离被搭接的5个GRP点最近的一个GRP点，A、B两点间的距离设为L。

假设各GRP之间的距离相等，设为I。若采用余弦函数平滑处理两测站的GRP搭接点，则设余弦函数为y?acosx?t，其中a为振幅，t为余弦曲线在y轴方向平移量，x为余弦函数的象限角。

对两测站的搭接点采用余弦函数加权平滑，实质上就是赋予前一测站搭接点GRP坐标的权为y，则后一测站搭接点GRP坐标的权为1?y。由于A、B为非搭接的GRP点，其坐标在平滑处理前后不变。因此在A点时，余弦函数中x=0，y?1；在B点时，余弦函数中x=180°，y?0，由此可以得到如下方程组，如下式所示。

a?cos0?t?1??a?0.5?y?0.5cosx?0.5 ????a?cos180?t?0??t?0.5在得到上式所示的加权余弦函数表达式后，便能求出中间5个GRP搭接点的权，如下式所示。

?y1?0.5cos(?*I/L)?0.5?y?0.5cos(?*2I/L)?0.52???y3?0.5cos(?*3I/L)?0.5 ?y?0.5cos(?*4I/L)?0.5?4??y5?0.5cos(?*5I/L)?0.5由此可得到各搭接GRP点余弦函数加权平滑后的唯一坐标为：

?Xi?Xi1?yi?Xi2?(1?yi)??Yi?Yi1?yi?Yi2?(1?yi)(i?1，2，3，4，5)

若各GRP点之间距离不相等，处理方法与上述一样，在此不再赘述。

7.2 GRP点高程测量的数据处理方法

7.2.1 德国GRP点高程测量数据处理的原理

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第13页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

当GRP往、返测附合水准路线闭合差满足要求后，方可按照德国方法进行GRP点高程测量的数据处理。德国方法进行GRP高程测量数据处理，应先往、返测附合水准路线分开分别进行数据处理，然后再往、返测水准路线合并在一起进行数据处理。

德国方法往测附合水准路线数据处理时，先对作为转点的CPⅢ控制点进行平差计算，将闭合差按距离反号改正分配到各转点上，假设分配量为Δ，得到各转点处CPⅢ点的高程。第一测站，以附合路线起点的CPⅢ高程为起始点，对起始点到本测站内的各GRP点间的高差进行站内高差改正，改正数为Δ，之后采用改正后的高差计算本测站内各GRP点的高程；第二测站，以本站后视点即CPⅢ转点为起始点，并考虑站内各GRP点的高差改正，改正数应该是Δ/2，然后也采用改正后的高差计算第二测站内各GRP点的高程。以此类推，计算各测站各中视GRP点的往测高程。

返测水准路线闭合差满足要求后，也按与上述往测相同的方法计算各测站各中视GRP点的返测高程。

当满足往、返测各GRP点的高程较差小于0.6mm后，最后取所有GRP点的往、返测高程的均值，作为本段附合水准路线内各GRP点的最后高程。 7.2.2 课题组提出的GRP点高程测量数据处理的原理

当GRP往、返测附合水准路线闭合差满足要求后，方可按照本方法进行GRP点高程测量的数据处理。按照本方法进行GRP高程测量数据处理，也应先往、返测附合水准路线分开分别进行数据处理，当往返测高程较差满足要求后，再往、返测水准路线合并在一起进行数据处理。

本方法往测附合水准路线数据处理时，是把相邻两个CPⅢ点间的观测高差，以及位于这两个CPⅢ点之间的相邻GRP点间的观测高差，构成闭合水准路线，再把往测附合水准路线中所有的闭合水准路线组合在一起，形成往测附合水准路线平差计算的水准网。按照最小二乘原理对该水准网进行间接平差，就可以获得往测GRP附合水准路线严密平差后各GRP点的平差高程和相邻GRP点的高差中误差。同理，返测水准路线也按与上述往测相同的方法平差计算各GRP点的返测平差高程和相邻GRP点的高差中误差。

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第14页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

当满足往、返测各GRP点的高程较差小于0.6mm后，最后把往、返测水准网的观测值合并在一起进行平差，作为本段附合水准路线内各GRP点的最后高程和最终精度。

现以图6-5为例，说明本方法平差文件的组织方法。本方法要求主线CPⅢ点间高差与后续GRP点中视高差测量分开进行，首先是主线的高差观测数据，组成格式是:后视，前视，高差，视距；主线平差文件组成后再进行中视点平差文件的组成，第1站以起点CPⅢ点作为后视点，把该站的第一个中视GRP点当作前视，求出两点间的高差，以后视加中视距离作为视距，组成平差格式：后视，前视，高差，视距；然后组成第二段中视高差的平差文件，以第一个中视GRP点作为后视，第二个中视GRP点作为前视，计算两点间的高差，以两点的中视距之和作为视距组成第二段高差，以此类推，相应的组成中视的高差文件，当到达第二个CPⅢ点时，以第1站的最后一个中视GRP点作为后视，第二个CPⅢ点作为前视来组成平差文件。按照这种方法，组织完整个往测附合水准路线的平差文件，平差时按传统的水准平差方法进行，以每公里观测高差中误差为单位权，由于每一站都组成了一个闭合环路，所以在计算闭合差的时候可以探测粗差。

以往测同样的思路组成返测附合水准路线的平差文件并进行计算，计算完成后，比较往返测高程较差。当往返测高程较差满足要求后，再把两个平差文件组合在一起进行平差计算，即得到最终GRP点的高程平差值以及相邻GRP点的高差中误差。当计算第1站最后一个中视点和第2站第一个中视点间的高差中误差时，可使用误差传播定律进行，即可得出这两点的高差中误差，同理可计算第2站最后一个中视点和第3站第一个中视点间的高差中误差，以此类推可以计算出所有作为转点CPⅢ点过渡的两个GRP点间的高差中误差。 7.2.3 两种高程计算方法计算结果的比较分析

为了观察和分析这两种方法计算的GRP点高程是否存在显著性差异，用上述两种方法计算了1286个GRP点的高程，并统计两种方法计算的高程的较差情况。统计结果如图7-2和图7-3所示，图7-2是高程较差分布的区间、高程较差落入某一区间的个数及其百分比的统计结果；图7-3是高程较差正态性的检验结果。

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第15页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

高程较差数10008006004002000区间(mm)0.00——0.040.04——0.080.08——0.12796280159点数61.90!.77.36%百分比79610761235累加点数61.90?.67?.03%累加百分比0.12——0.160.16——0.20372.887298.911.0986100.00%>0.2000.0086100.00%

图7-2部分TRN高程网两种方法求得的高程较差绝对值分布区间统计示意图

高程较差数500高程较差数40030020010000.00～0.040.04～0.080.08～0.120.12～0.16-0.20～-0.16-0.16～-0.12-0.12～-0.08区间(mm)-0.08～-0.04-0.04～0.000.16～0.20

图7-3 部分TRN高程网两种方法求得的高程较差分布区间柱形图 从图7-2可以看出：1286个高程较差落入（-0.08mm，0.08mm）区间的个数有1076个，百分比为83.67%；1286个高程较差落入（-0.12mm，0.12mm）区间的个数有有1235个，百分比为96.03%；1286个高程较差落入（-0.20mm，0.20mm）区间的个数有有1286个，百分比为100.00%；这说明该段GRP高程网采用两种方法计算的高程较差大部分都在0.12mm以内，没有高程较差大于0.20mm的点。

从图7-3可以看出：1286个高程较差的分布不完全服从正态分布，但有服从正态分布的趋势，其不完全服从正态分布的原因可能是样本量小造成的，可通过进一步的统计进行验证。但从图7-3还可以看出，小的高程较差比较多，且主

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第16页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

直接为沪宁城际铁路的安全开通运行提供了可靠的测量技术保障。

11 主要结论

本课题是针对高速铁路无砟轨道轨道基准网平面和高程外业测量作业及其数据处理分析的技术特点，以及高速铁路无砟轨道轨道基准网高精度（平面测量精度≤±0.2mm，高程测量精度≤±0.1mm）的测量要求，基于坐标转换、间接平差、测量精度评定和余弦函数加权平滑处理等测量和数学理论，采用.net环境下C#和VB 编程技术以及GDI+、COM组件和多线程等编程技术，开发的用于高速铁路轨道基准网数据采集与数据处理的内外业一体化测量系统TRN DMS和TRN DPS，能够满足高速铁路无砟轨道施工中轨道基准网的测量作业和数据处理需求，可以进行高速铁路无砟轨道建设中轨道基准网的建网测量和数据处理分析工作。

课题组首次提出并实现对轨道基准网之高程网进行严密的平差计算方法，这种方法不仅理论上合理，而且可对观测高差进行粗差探测；课题组还首次实现对轨道基准网的平面网和高程网的相对精度进行评定，从而为分析轨道基准网的实际精度起到了重要作用，而且更符合我国测量数据处理的习惯。

课题组推出的轨道基准网数据采集与处理系统（TRN DMS和TRN DPS），是在深入学习德国GRN外业测量和数据处理的先进理念，并在融入课题组最新研究成果的基础上研制出来的，是国产化的轨道基准网数据采集与处理系统，具有完全自主知识产权。

课题组的研究成果和所研制的软件，在沪宁城际铁路的轨道基准网建网过程中得到了全面的应用，并获得了的成功,因此TRN DMS和TRN DPS可以说是国内第一套成功应用的轨道基准网数据采集与处理系统。沪宁城际铁路轨道基准网建网实践表明，课题组的研究成果和研制的软件完全能够满足高速铁路轨道基准网建网的需要，值得在高速铁路建设中推广应用。

12 结束语

在铁道部建设司、中铁咨询和西南交大有关领导的大力支持和关心下，本课题才能够得以立项和顺利展开研究，并取得一定的研究成果，为此课题组特向上

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第27页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

述有关领导和同志，表示诚挚的感谢！在课题的调研、研究、试验和应用过程中，还得到了沪宁城际铁路股份有限公司、中铁十局和中铁十一局等单位的大力支持和帮助，在此课题组也特向这些单位的有关领导和同志，表示衷心的感谢！

此外，由于能力、时间等因素的限制，对于课题组研究成果中可能存在的不足和待完善之处，希望得到有关专家和同行的指教和改进意见，以便课题组对研究成果进行完善和提高，在此课题组也向这些专家和同行，表示崇高的敬意！

“轨道基准网数据采集及其处理系统研发”课题组

2010年5月15日

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第28页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

要分布在(-0.08mm，0.04mm)区间内，说明两者间的差异主要是由测量误差引起的。

上述统计结果表明：两种方法计算的高程相差较小，96.03%在0.12mm以内，

因此从概率的角度说明两种方法计算的高程没有显著的差异，其计算结果是基本一致的，说明这两种GRP高程网数据处理方法都可用于轨道基准网的高程数据处理，但课题组提出的轨道基准网高程数据处理方法，理论上更合理，且可探测粗差和进行精度评定，因此应该是轨道基准网高程数据处理的更好方法。

8 轨道基准网精度的评定方法

8.1 平面网精度的评定原理

轨道基准网之平面网的精度评定，就是在一个测站的范围内，计算这个测站所测量的n个GRP点所构成的n?1个相邻GRP点间的相对点位中误差，以验证这个测站GRP点平面坐标测量的精度，能否满足轨道基准网之平面网相邻GRP点相对点位中误差小于0.2mm的要求。

当一个测站所测量的4个测回CPⅢ点的坐标较差和3个测回的GRP点的坐标较差满足限差要求后，取4个测回CPⅢ点站心坐标系的坐标均值及其工程独立坐标系的建网坐标，采用上面所述的方法计算该测站的坐标转换参数；再利用所得到的坐标转换参数，对3个测回GRP点的站心坐标系坐标逐个测回地进行坐标转换，得到3个测回的GRP点的工程独立坐标系坐标。

利用每个测回的各GRP点的工程独立坐标系坐标，按照坐标反算公式可计算出这个测站n?1段相邻GRP点间的距离sij和坐标方位角?ij（i?12,，???,n?1；。由于每个GRP点的坐标都测量了3个测回，所以同一段相邻GRPj?2，3,???,n）点间的距离sij和坐标方位角?ij有3个。

利用同一段相邻GRP点间的3个距离sij和3个坐标方位角?ij，可计算两两之间的距离较差?sij和坐标方位角较差??ij，这样同一段相邻GRP点间的3个距离sij和3个坐标方位角?ij就有2个距离较差?sij和2个坐标方位角较差??ij，一

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第17页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

个测站就有2?个相邻GRP点间的距离较差?sij和2?个相邻GRP点间（n?1）（n?1）的坐标方位角较差??ij。

一般地，测站离相邻GRP点间的测段越远，则由测站测量该测段的距离和方位角的精度越差。根据这一规律，可以确定各测段距离和方位角的权。由于在GRP的平面坐标测量时，测站至最远GRP点的距离一般不会超过100m，故可假设GRP平面坐标测量时测站到100m 处的相邻GRP点间的距离和方位角测量为单位权观测，则各相邻GRP点间距离和方位角测量的权分别为：

pij?1001(s?s)2ij

上式中si、sj分别为测站到相邻的第i和第j个GRP点的距离，单位为m。

根据同一测站内2?段相邻GRP点间的距离较差?sij和2?个相（n?1）（n?1）邻GRP点间的方位角较差??ij及其权pij，就可按单位权中误差计算公式，计算该测站相邻GRP点间单位权距离测量和方位角测量的中误差；再根据上面已经推导的各段相邻GRP点间的距离和方位角的权，就可以计算各段相邻GRP点间的距离和方位角的中误差；最后，可以根据各段相邻GRP点间的距离和方位角的中误差，计算出这一测站相邻GRP点间的相对点位中误差。

根据GRP平面坐标测量的精度要求，按上述方法计算的各相邻GRP点间的点位中误差m?Pij，应该均小于±0.2mm。 8.2 高程网精度评定的原理

轨道基准网高程的精度评定，就是在一条附合水准路线的范围内，评定这条附合水准路线内n个GRP点所构成的n?1个相邻GRP点间的相对高差中误差，以验证这条附合水准路线内GRP点高程测量的精度，能否满足轨道基准网之高程网相邻GRP点相对高差中误差小于0.1mm的要求。

当往、测附合水准路线内各GRP点的高程较差均满足≤0.6mm的要求后，可先利用往测附合水准路线各GRP点的高程，计算相邻GRP点间的往测高差，设为

?（设该段附合水准路线共有n个GRP点，则i?12；再，，???,n?1，j?2，3,???,n）hij中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第18页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

?利用返测附合水准路线各GRP点的高程，计算相邻GRP点间的返测高差，设为hij；

则往返测相邻GRP点间的高差较差为：

?? ?hij?hij?hij这样的高差较差共有n?1个。由于各GRP点高程测量时后视距离是完全相同的，而各GRP点高程测量时前视距离各不相同，因此同一附合水准路线内各相邻GRP点间的高差精度不完全相同。

现假设GRP水准测量时测站到40m 处的相邻GRP点间高差测量为单位权观测（GRP水准测量时，水准仪一般架设在相邻两CPⅢ点之间，由于相邻两CPⅢ点之间的最大距离小于70m，因此测站到最远相邻GRP点间高差的距离一般小于40m），则各相邻GRP点间高差测量的权分别为：

pij?401(si?sj)2

上式中si、sj分别为测站到相邻两GRP点的前视距离，以m为单位。

根据同一附合水准路线内n?1段往返测高差较差?hij及其权pij，可按单位权中误差计算公式，计算该附合路线内相邻GRP点间单位权高差测量的中误差，再根据上面已经推导的各段相邻GRP点间高差的权，就可以计算出各段相邻GRP点间高差的相对中误差。

根据GRP高程测量的精度要求，按上述方法计算的各相邻GRP点间的高差中误差mhij，均应小于±0.1mm。

9 轨道基准网数据采集与处理软件的研制

9.1 TRN数据采集软件的研制

基于上述GRP平面外业测量方法以及测量过程要求，并结合工程应用实际情况，课题组研制并开发了高速铁路轨道基准网数据采集软件TRN DMS。下面是该软件的运行环境、技术构架、业务流程、主要功能和技术特点。 9.1.1采集软件运行环境

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第19页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

1）外业观测手簿

TRNDMS是基于Windows Mobile操作系统开发的外业观测软件，其要求硬件环境条件如下：

2 内存 ≥64MB 2 CPU主频 ≥64MB 2 RS232 串行接口至少1个

TRNDMS软件只能运行在Windows Mobile 5.0操作系统及更高版本下，且要求首先安装Microsoft .Net Compact Framework框架 2.0及以上版本。

2）智能型全站仪

由于TRNDMS必须控制某种智能型全站仪完成控制网外业数据观测任务，故本软件必然受到仪器厂商是否提供全站仪控制指令的限制。目前，瑞士徕卡公司出品的TCA型智能全站仪能够为其用户提供二次开发使用的控制指令，故本软件能够控制的智能型全站仪仅仅是瑞士徕卡公司出品的TCA/TCRA/TCRP等型号的产品。

9.1.2采集软件的技术框架和业务流程

数据采集软件的技术构架如图9-1所示，软件的主要业务流程见图9-2所示。

图9-1 TRNDMS的技术构架示意图

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第20页

高速铁路轨道基准网数据采集与处理系统研发报告

Ⅲ和TRN数据采集

图9-2 TRNDMS的业务流程示意图

9.1.3采集软件的主要功能

TRNDMS软件的主要功能包括： 1）观测限差和通讯参数的编辑、录入； 2）CPⅢ控制点的学习测量和自动测量； 3）TRN控制点的学习测量和人工测量； 4）按设置参数进行多测回数据采集；

5）在自动观测过程中，严格按设定限差检查观测成果是否合格。如果超限，则实时提示，并根据操作人员的决定采取相应的措施。

6）自动测量完成后，将数据保存在测量手簿的内存或者SD/CF 卡上。 TRNDMS软件的主要功能如图9-3所示。

中铁工程设计咨询集团有限公司、西南交通大学 第21页

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rrjd.html