基于智能型全站仪的火箭撬滑轨平面平顺性测控技术研究

罗朱柠

中铁十一局集团第三工程有限公司，湖北十堰430301

火箭撬滑轨是航空航天以及武器研发领域不可或缺的关键设备。其核心技术在于要达到百万分之一的轨道直线性相对精度［1］，在安装测控过程中涉及轨道的精密加工、焊接、焊缝超声波探伤、轨道直线度测量、轨道平面和高程位置的调整等技术［2］。而其中的轨道直线度精密测量和轨道平面及高程位置的精确调整，在世界范围内都属于高难度的测控技术，如今能够建造火箭撬轨道的国家只有美国、英国、俄罗斯、法国和中国［3］。

滑轨的精密测控是火箭撬滑轨建造期的关键技术之一。为保证滑轨的高平顺性，滑轨测控的绝对位置精度和相对位置精度都应达到0.2 mm［4］，这对常用的测量设备和方法而言都是一种考验。在已建成的火箭撬滑轨工程中，有使用激光跟踪仪测控滑轨平顺性的成功经验［5］，然而激光跟踪仪价格昂贵，且对使用环境和条件限制颇多［6］。瑞士徕卡公司生产的TS60智能型全站仪，其水平方向测量的标称精度为0.5″，距离测量的标称精度为0.6 mm±1μm，是目前精度最高的全站仪，已经在高速铁路精密工程测量领域广泛应用。在高速铁路轨道板和轨道平顺性测量中使用高精度智能型全站仪进行自由设站测量，其设站精度可达到亚毫米级［7］，因此智能型全站仪有望应用于火箭撬滑轨的平顺性精密测控。

本文在西南交通大学测量试验场和内蒙古一处基地已建成的9 km火箭撬滑轨上进行多次测量试验，探究使用高精度智能型全站仪在火箭撬滑轨两侧建立平面控制网，并采用多控制点后方边角交会测量的方法，能否达到火箭撬滑轨平面平顺性测控的精度要求，并验证此方法进行轨道平面平顺性测控的效率。

1 全站仪边角后方交会测量设站精度

在西南交通大学测量试验场中布设了8个控制点组成的平面控制网，控制点成对布设，点对内点间横向间距为60 m，点对间纵向间距为80 m，如图1所示。

图1 西南交通大学测量试验场控制网测量网形示意

为提高控制网的测量精度，8个控制点用3个自由测站进行边角联测构网，其中控制网两端的两个自由测站（图1中的cd1、cd3两个测站）分别位于本测站的第一对和第二对控制点的中间位置，并仅测量靠近本测站的3对控制点；中间的自由测站（图1中cd2测站）对全部4对控制点进行测量。

为了能够比较利用上述平面控制网进行多次后方交会测量得到的设站点坐标的重复性较差情况，在控制网的中心位置（自由测站点cd2）安置了一个强制对中桩（图2），因此cd2点既是控制网测量时的自由测站点，又是后续验证后方边角交会测量精度的设站点。

图2 强制对中桩

进行测量试验时，在各控制点上使用稳定的木质脚架架设精密棱镜，棱镜基座须精密整平。棱镜中心即作为平面控制点，整个试验过程中8个控制点的棱镜位置保持不动，仅随测站位置的变化转动相关棱镜的方向，因此整个试验测量过程中没有对中误差的影响。

为保证测量试验的精度，试验选择在夜间进行，按照图1所示网形对8个控制点进行自由测站测量，建立平面控制网。测量过程每个测站的水平方向和距离观测限差严格按照TB 10601—2009《高速铁路工程测量规范》中的二等平面精度［8］要求执行。外业测量完成后，以中间测站的全站仪站心（图1中cd2点）为坐标原点对平面控制网进行自由网平差，网平差精度达到规范要求后，将站心坐标系下的平差坐标作为各个控制点的最终坐标。再利用这8个控制点的最终坐标，在强制对中桩（图1中cd2点）上进行3次独立的边角后方交会测量，每次测量间隔10 min左右，并且每次设站测量前均要求重新整平全站仪。最后统计设站点坐标及其精度，3次设站测量的结果见表1。

表1 3次边角后方交会测量设站点坐标及精度

由表1可知：3次测量设站点的坐标分量较差均小于0.1 mm，设站点的x、y坐标中误差也均小于0.2 mm，这说明使用智能型全站仪，在火箭撬滑轨两侧建立二等平面控制网，并采用多控制点后方边角交会测量的方法，对火箭撬滑轨进行平面位置测控，其精度可以达到火箭撬滑轨的精度要求（0.2 mm）。因此该方法可以应用于火箭撬滑轨的平面平顺性精密测控。

2 基于智能型全站仪的滑轨平面平顺性测控方案及其现场试验情况

为进一步验证基于智能型全站仪进行火箭撬滑轨平面平顺性测控的可行性，在内蒙古一处基地长度为9 km的火箭撬滑轨上进行现场测量试验，试验段位于滑轨起点附近。这是一段轨道平面平顺性已经经过测控并满足要求的滑轨，但是在经过多次的火箭撬试验之后可能有些段落的轨道平顺性已经发生变化而达不到要求。本次现场测量试验的目的是采用本文的方法测量一段50 m左右的轨道，之后观察测量结果是否能够满足相邻测点横向偏距之差小于0.2 mm的平面平顺性要求，以及观察各个测站的设站精度能否满足x、y坐标分量中误差小于0.2 mm的要求。

2.1 现场平面基准网布设情况及其起算数据

测量试验前，在滑轨两侧的地面上布设平面控制网，控制点成对布设，点对内点间横向间距、纵向间距均为80 m，共布设7对控制点，布设的平面控制网如图3所示。仿照高速铁路CPⅢ控制点的埋设方法，先在选好的点位埋设观测墩，然后在观测墩顶部埋入预埋件，再在预埋件中插入棱镜杆，最后在棱镜杆上安装精密棱镜，棱镜中心位置即为控制点位置。图3中C03—C11点是火箭撬滑轨的基准桩，位于承轨台东侧约0.1 m处，相邻基准桩纵向间距约为60 m，由中国科学院测量与地球物理研究所建立并施测，具有很高的三维点位精度。本文的平面控制网测量时要求联测这些基准桩，并把这些基准桩作为滑轨平面控制网平差计算的起算点，以便将平面控制网坐标统一到火箭撬滑轨工程独立坐标系中。

图3 现场试验滑轨平面控制网布设情况

2.2 基于智能型全站仪的滑轨平面平顺性测控方案

首先是将智能型全站仪通过工装夹具直接架设在滑轨上，然后向两侧的至少8个平面控制点进行边角后方交会测量，之后计算出全站仪中心的平面坐标及其精度，而通过工装夹具的设计使全站仪的中心即为滑轨的中心，据此测量各处滑轨中心的坐标，最后通过相邻点滑轨中心的坐标，分析滑轨的平面平顺性。

为了将全站仪稳定地架设在滑轨上，并且使全站仪中心与滑轨中心在同一铅垂线上，本文设计了一种将全站仪安装在滑轨上的专用工装夹具，如图4所示。夹具内侧面的两个螺栓用于把夹具固定在滑轨上，并使其顶部的基座中心与轨道中心一致；夹具外侧的两个螺栓用于防止全站仪装在夹具上意外倾倒；夹具顶部的三个螺栓用于整平夹具。使用此工装夹具，可以将全站仪直接架设在滑轨上待测量的各个位置。

图4 全站仪专用工装夹具示意

为保证现场测量试验的精度，本次测量试验仍在夜间进行。采用自由测站边角交会法，以中国科学院测量与地球物理研究所建立的基准点C03—C11点作为已知控制点，对滑轨平面控制网进行建网测量，获得各个控制点在滑轨工程独立坐标系下的坐标。

之后依据滑轨两侧的平面控制网，使用工装夹具把智能型全站仪直接架设在火箭撬滑轨上的某一个测点［9］，采用多控制点后方边角交会测量的方法，测量试验段滑轨每个扣件处的平面坐标，每次测量需要后视测站前后各2对（共8个）的平面控制点，如图5所示，并记录每一扣件处的设站坐标及精度。

图5 多控制点后方边角交会测量滑轨平面坐标原理示意

2.3 现场试验测量结果及其数据分析

本次现场试验测量了滑轨第13—15号三片梁共计45个扣件，每一扣件处设站点横向、纵向坐标中误差（即设站精度）统计结果见图6。可知，所有测站测量的x、y坐标中误差均不超过0.2 mm，满足火箭撬滑轨平面平顺性测控的精度要求。

图6 现场试验各个测站设站精度统计结果

由于轨道工程独立坐标系的y轴为轨道的纵向，x轴为垂直于轨道的横向，因此对相邻两个扣件处全站仪站心坐标中的x坐标值求差，即得到相邻扣件处滑轨的横向偏距较差。

本次测量的这段轨道的横向偏距较差见表2。火箭撬滑轨平面相对平顺性精度要求是相邻两个测点的横向偏距较差应不超过±0.2 mm。由表2可知，这段滑轨大部分位置（占77.3%）的相对平顺性能够满足要求，个别位置相对平顺性略差，横向偏距较差最大值为0.6 mm。

表2 现场试验相邻扣件处滑轨横向偏距较差 mm

3 结论

1）使用高精度智能型全站仪，在火箭撬滑轨两侧建立横纵向间距均为80 m左右的平面控制网，并采用多控制点后方边角交会测量法，对轨道平面直线度进行测量。该方法能够达到火箭橇滑轨调轨的精度要求，即轨道上各个测点的平面坐标分量中误差小于±0.2 mm和同一个测点多次独立测量的坐标分量较差小于0.2 mm的重复性测量较差要求。

2）采用本文方法进行滑轨平面坐标测量，测量一个测点需要150～180 s，测量速度主要取决于操作人员的熟练程度。耗时的工作主要在于全站仪专用工装夹具的整平以及后方交会测量时人为瞄准各个控制点的过程。所以，本方法在后续实际应用中提高测量效率的途径主要有：①进一步改进工装夹具的整平方式以减少整平时间；②开发能够控制智能型全站仪进行多控制点后方边角交会自动测量的手机端APP应用程序，以缩减全站仪瞄准各个控制点及其测量的时间。

3）本方法的测量精度主要依赖于滑轨平面控制网的测量精度和全站仪工装夹具的整平精度及全站仪的观测精度。平面控制网的精度是轨道平面直线度测量的先决条件，应采用分段测量和即测即用的模式。而全站仪的整平精度及其观测精度则直接影响测点的点位中误差。