北京市地鐵八號線三期首級GPS控制網(wǎng)的建立及精度分析

北京市地鐵八號線三期首級GPS控制網(wǎng)的建立及精度分析

李森

(北京市測繪設(shè)計(jì)研究院,北京 100038)

摘要：介紹了北京市地鐵八號線三期首級GPS平面控制網(wǎng)的布設(shè),以及后期的外業(yè)觀測、基線向量解算和控制網(wǎng)平差,并對整個(gè)GPS控制網(wǎng)精度進(jìn)行分析評定,對施測及數(shù)據(jù)處理進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

關(guān)鍵詞：控制網(wǎng)布設(shè);穩(wěn)定性分析;基線解算;網(wǎng)平差;精度分析

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.019

中圖分類號：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)05-0099-04

收稿日期：2015-03-25

作者簡介

Abstract:This paper introduces the layout, later stage field observation, baseline solution and control network adjustment of first class GPS control network of Beijing metro line Eight Phase III, analyzes and evaluates the accuracy of GPS control network, and provides experiences summarization for GPS control network measurement and data processing.

0引言

城市地鐵控制網(wǎng)是城市地鐵工程施工測量的基準(zhǔn),控制網(wǎng)的精度直接影響地鐵隧道的安全及質(zhì)量。地鐵控制網(wǎng)基本布設(shè)城市中心,人口及車輛較多,施工周期長,且施工區(qū)域條件復(fù)雜多變,為了保證工程安全順利的實(shí)施,需要前期首級控制網(wǎng)的布設(shè)方案合理,施測方法正確,以及點(diǎn)位精度的可靠[1-3]。

工程概況:北京市地鐵8號線三期線路起于二期終點(diǎn)王府井北站,南至五福堂站,長約17.3 km,共設(shè)置車站14座,其中8座為換乘站。地鐵總體呈南北走向,經(jīng)過著名的王府井商業(yè)街、長安街、前門東大街、前門、天橋商場、永定門城樓、木樨園等,是北京市南北中軸線上的快速軌道交通走廊。由于控制路線布設(shè)沿地鐵線路量測,呈南北條狀,經(jīng)過繁華市區(qū)的主干道,車流量大、過往行人多,給現(xiàn)場測量帶來很多困難。

1GPS平面控制網(wǎng)的布設(shè)

北京市地鐵八號線三期首級GPS平面控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)采用北京市地方坐標(biāo)系統(tǒng),為保證GPS網(wǎng)具有較高的內(nèi)符合精度,首級GPS平面控制網(wǎng)在北京市GPS C級網(wǎng)框架下布設(shè)。該網(wǎng)沿地鐵線路按邊連式布設(shè)構(gòu)成GPS網(wǎng)。考慮GPS網(wǎng)的圖形強(qiáng)度,全網(wǎng)共選點(diǎn)33個(gè),包括北京市C級GPS點(diǎn)5個(gè),新選GPS控制點(diǎn)18個(gè),已有其它地鐵首級GPS控制點(diǎn)10個(gè)?？刂泣c(diǎn)點(diǎn)位分布如圖1所示。

2GPS已知點(diǎn)穩(wěn)定性分析

為了保證全網(wǎng)平差基準(zhǔn)的一致性,避免網(wǎng)型的扭曲,在進(jìn)行GPS控制網(wǎng)網(wǎng)平差前,必須對已知平面起算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和兼容性進(jìn)行分析[4-6]。在北京市地鐵8號線三期首級GPS控制網(wǎng)中,對使用的5個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn),采用空點(diǎn)法對已知點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。為對已知起算點(diǎn)進(jìn)行全面合理的檢驗(yàn),在網(wǎng)平差前設(shè)計(jì)三個(gè)檢驗(yàn)方案。方案一:選取YZD4、YZD1、YZD5三個(gè)點(diǎn)作為已知點(diǎn),YZD2、YZD3作為待定點(diǎn)進(jìn)行約束平差。方案二:以YZD2、YZD3作為已知點(diǎn),YZD4、YZD1、YZD5作為待定點(diǎn)進(jìn)行約束平差。方案三:以YZD2、YZD4、YZD5作為已知點(diǎn),YZD3、YZD1作為待定點(diǎn)進(jìn)行約束平差。

由表1可知,根據(jù)設(shè)計(jì)的三種方案,對5個(gè)已知起算點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性檢驗(yàn),三種方案的點(diǎn)位誤差均為毫米級,最大點(diǎn)位誤差0.24 mm,最小點(diǎn)位誤差0.10 mm;與已知坐標(biāo)值較差中最大值26.5 mm,最小值5.8 mm;最短邊相對誤差小于1/45萬。結(jié)果表明:選取的5個(gè)已知起算點(diǎn)穩(wěn)定性和兼容性較好,可以作為本工程的起算數(shù)據(jù)使用。

聯(lián)系人： 李森 E-mail: lisen@bism.cn

圖1　北京市地鐵八號線三期GPS控制網(wǎng)

精度方案點(diǎn)號X方向誤差/mmY方向誤差/mm點(diǎn)位誤差/mm點(diǎn)位較差/mm最短邊相對誤差方案一YZD3YZD20.150.180.130.160.200.2414.610.91/79萬方案二YZD4YZD5YZD10.100.100.100.100.100.100.100.200.105.817.226.51/45萬方案三YZD3YZD10.200.200.100.200.200.2013.417.81/65萬

3GPS控制網(wǎng)的施測

為提高測量精度,保證測量精度的統(tǒng)一性,為提高整網(wǎng)精度,采用網(wǎng)聯(lián)式進(jìn)行外業(yè)觀測,為避免GPS接收機(jī)系統(tǒng)誤差的累計(jì),保證外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的可靠性,要求重復(fù)設(shè)站率>=2,每一觀測點(diǎn)位重復(fù)設(shè)站時(shí)必須使用不同的GPS接收機(jī)[7]。采用8臺SOKKIA GSR2700ISX 型雙頻接收機(jī)進(jìn)行同步靜態(tài)觀測,儀器標(biāo)稱水平精度3 mm+0.5 ppm,垂直精度10.0 mm+1 ppm,共觀測13個(gè)時(shí)段。

控制測量作業(yè)前,對GPS接收機(jī)和天線設(shè)備進(jìn)行全面檢驗(yàn),經(jīng)檢定接收機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到正常水平方可進(jìn)行測量。按GPS外業(yè)測量的相關(guān)規(guī)定逐項(xiàng)填寫外業(yè)觀測手薄。

4GPS網(wǎng)的基線解算與網(wǎng)平差

1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理

平差前對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,對每一個(gè)測站觀測數(shù)據(jù)利用TEQC軟件進(jìn)行質(zhì)量檢查,檢查內(nèi)容包括:測站開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、觀測時(shí)間、采樣間隔、有效利用率、多路徑效應(yīng)和周跳比等。所有測站的數(shù)據(jù)有效利用率中最小81%最大100%,滿足規(guī)范要求(規(guī)范要求≥80%)。表3為每個(gè)時(shí)段測站觀測數(shù)據(jù)利用率的最大最小值。

表2　每時(shí)段測站數(shù)據(jù)利用率統(tǒng)計(jì)表

2) 基線解算

基線解算采用Trimble 公司的GPS精密靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件TBC(Trimble Business Center)。對周跳較多或數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的時(shí)段進(jìn)行刪除或用分段處理方法進(jìn)行基線解算[8-9]。全部基線解算結(jié)果中:最大PDOP值均小于6,解算類型均為固定解,RMS均小于0.03 m.

3) 網(wǎng)平差

采用武漢大學(xué)測繪學(xué)院的“地面測量工程控制測量數(shù)據(jù)處理通用軟件包(Version6.0)”進(jìn)行平差計(jì)算,平差前對已知點(diǎn)進(jìn)行可靠性檢驗(yàn),參與平差的獨(dú)立基線必須為合格基線,將全部獨(dú)立基線構(gòu)成閉合圖形,以三維基線向量及其相應(yīng)方差協(xié)方差陣作為觀測信息,以YZD3的WGS-84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù),在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差,并提供WGS-84的三維坐標(biāo)、坐標(biāo)差觀測值的總改正數(shù)、基線邊長及點(diǎn)位和邊長的精度信息。如出現(xiàn)環(huán)閉合差超限的情況,采用重復(fù)基線重新計(jì)算,在所有閉合環(huán)符合要求后方能進(jìn)行下一步平差計(jì)算。平差后基線向量改正數(shù)的絕對值應(yīng)滿足規(guī)范要求限差。

選用測區(qū)內(nèi)C級GPS已知點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差,由于CosaGPS同步環(huán)閉合差限差未采用現(xiàn)行規(guī)范要求,所以全部異步環(huán)閉合差限差按照新規(guī)范進(jìn)行手工計(jì)算,所有異步環(huán)閉合差滿足設(shè)計(jì)要求。

5精度分析

選取95條合格的獨(dú)立基線,構(gòu)成49個(gè)異步環(huán),表3為所有異步環(huán)閉合差中的最大值和最小值(由于篇幅有限不再一一列出所以異步環(huán)閉合差)。在進(jìn)行三維平差和二維平差后得到各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差,圖2示出了三維平差后各點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差,其中最弱點(diǎn)位中誤差為1.64 cm,圖3示出了二維平差后點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差,其中最弱點(diǎn)位中誤差為0.43 cm.GPS最弱邊相對中誤差為1/201000(設(shè)計(jì)要求1/100000);最弱點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為0.59cm(設(shè)計(jì)要求≤1.2 cm);相鄰點(diǎn)相對點(diǎn)位中誤差最大值為4.9 mm(設(shè)計(jì)要求≤10 mm)。

圖2　三維平差點(diǎn)位誤差

圖3　二維平差點(diǎn)位誤差

通過以上數(shù)據(jù)分析,全網(wǎng)共28個(gè)新設(shè)點(diǎn),點(diǎn)位中誤差均小于限差設(shè)計(jì)的精度要求,最弱邊相對中誤差也滿足設(shè)計(jì)精度要求。

表3　異步環(huán)閉合差

6結(jié)束語

本文通過對北京市地鐵八號線三期首級GPS平面控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)與布設(shè),控制網(wǎng)的施測,獨(dú)立基線的挑選,GPS網(wǎng)平差,以及精度指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析等各個(gè)環(huán)節(jié)的介紹,為城市地鐵工程平面控制網(wǎng)的建立提供一定參考:

1) 城市地鐵工程多位于城市中心,給GPS控制點(diǎn)選取,施測和保護(hù)帶來很多困難。當(dāng)存在有GPS點(diǎn)位遮擋時(shí),要選擇衛(wèi)星星歷較好時(shí)段進(jìn)行觀測,并適當(dāng)增加觀測時(shí)間,以保證后期基線解算的順利進(jìn)行。

2) 在進(jìn)行基線解算前,需要利用TEQC軟件對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查,當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在衛(wèi)星數(shù)據(jù)周跳較多,或多路徑效應(yīng)嚴(yán)重的衛(wèi)星時(shí),應(yīng)對該衛(wèi)星進(jìn)行屏蔽或刪除。

3) 對高精度的GPS控制網(wǎng)重復(fù)基線觀測非常重要,GPS控制網(wǎng)中骨干網(wǎng)點(diǎn)應(yīng)重復(fù)觀測,重復(fù)觀測次數(shù)大于等于2,通過多條重復(fù)觀測基線可直接判定基線解算質(zhì)量和整個(gè)基線向量網(wǎng)的好壞。

4) 對參與約束平差的已知點(diǎn)進(jìn)行分析和篩選,選擇穩(wěn)定而且精度較高的已知點(diǎn)進(jìn)行二維約束平差,以免利用了錯(cuò)誤或精度較低的已知點(diǎn)影響整個(gè)GPS控制網(wǎng)的最終成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 李春華,張獻(xiàn)州.GPS技術(shù)在成都市地鐵建設(shè)中的應(yīng)用[J].測繪工程,2003,12(3):26-28.

[2] 姜雁飛,唐紅軍.利用GPS建立城市軌道交通專用坐標(biāo)系和平面控制網(wǎng)的探討[J].測繪通報(bào),2010(9):19-22.

[3] 張廣偉,李鵬,宮輝.城市地鐵控制網(wǎng)穩(wěn)定性分析及應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2008,33(4):98-99.

[4] 秦長利,董偉東.地鐵控制基標(biāo)歸化改正原理及編程實(shí)現(xiàn)[J].北京測繪,2004,(3):16-18.

[5] 邢繼紅.GPS網(wǎng)起始數(shù)據(jù)的誤差分析[J].地理空間信息,2006,4(4):13-15.

[6] 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005:42-61.

[7] 郭英起,張振海,王楊.建立GPS控制網(wǎng)觀測方案優(yōu)化的研究[J].測繪工程,2011,20(3):12-14.

[8] 雷斌,王湛.靜態(tài)GPS控制測量基線精度統(tǒng)計(jì)分析[J].測繪通報(bào),2010(10):35-37.

[9] 劉德榮,楊東凱,李明里,等.TK算法在GPS中的新應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng),2011,36(3):14-17.

李森(1983-),男, 河南駐馬店人, 碩士, 工程師， 注冊測繪師,主要從事大地測量與GPS數(shù)據(jù)處理方面的工作。

The Establishment and Accuracy Analysis of First Class GPS

Control Network of Beijing Metro Line Eight Phase III

LI Sen

(BeijingInstituteofSurveyingandMapping,Beijing100038,China)

Key words: Control network layout; stability analysis; baseline solution; network adjustment; accuracy analysis