城區有軌電車首級控制網的設計研究

蔣勝華,鄭峴,薛衛星,2(．武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079)

城區有軌電車首級控制網的設計研究

蔣勝華1?,鄭峴1,薛衛星1,2
(1．武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學測繪學院,湖北武漢 430079)

摘 要:討論了城區城市軌道交通工程首級衛星定位控制網的建立以及數據后處理的相關問題,采用South GPSProV-er4．0軟件對GPS觀測數據進行預處理、基線處理和網平差。對D級GPS靜態控制網在城區有軌電車首級衛星控制網的應用研究作了一些探討。

關鍵詞:有軌電車；GPS控制網；數據處理

1　引 言

現代有軌電車是一種新型綠色的公共交通方式,它既彌補了軌道交通覆蓋不足的缺陷,又彌補了常規公交運量不足的弱點,對城市格局、多模式多層次的公共交通系統以及產業發展起到關鍵的推動作用[1]。按照《城市軌道交通工程測量規范》、《衛星定位城市測量技術規范》和《城市測量規范》等相關規范的要求,有軌電車需首先布設首級衛星定位控制網[2]。在線性工程測量中,一般存在已知點較少、已知點位分布不佳、控制網網形呈帶狀、相對高差大等因素[3]。使用傳統的測量手段布設線性控制網不僅難度大、工作繁瑣耗時,而且不好控制誤差的積累,而這些技術難點也都是衛星定位控制網需要克服的[4]。近些年來,隨著GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System)、北斗等定位系統不斷發展完善,各種誤差模型(如電離層、對流層)的精化,整周模糊度求解算法的改進,極大提高了GNSS定位的精度與可靠性;同時衛星定位算法的不斷改進,促進了高精度GPS精密后處理軟件的不斷發展,進一步提高了衛星測量定位的精度。這使空間定位技術得到充分的應用,尤其是靜態GPS測量模式。在各級測量控制網的建立方面,GPS定位技術已基本上取代了傳統的測量手段[5]。

本文以某城區的一個有軌電車控制網為例,詳細介紹城市軌道交通工程首級衛星定位控制網的建立、數據采集和事后數據處理以及用D級GPS靜態控制網建立城市軌道交通工程首級衛星定位控制網的應用研究。

2　城市軌道交通工程首級控制網的建立

2．1城市軌道交通工程平面控制網概述

控制網是指按一定原則布設的由一系列固定點所構成的相互聯系的網,然后按一定技術標準測量網中所有控制點的坐標;各等級大地測量控制網的建立是為了精密確定地面點的平面位置和高程[6]。城市軌道交通工程平面控制網由兩個等級組成,一等為衛星定位控制網,二等為精密導線網。

2．2城市軌道交通工程首級控制網的精度及等級

城市軌道交通工程首級控制網是衛星定位控制網,其控制網的設計按照GPS靜態相對定位原理進行,主要技術指標如表1所示。

衛星定位控制網的等級及精度標準 表1

其中,衛星定位控制網相鄰點間的基線精度按式(1)計算。

σ=±a2+(b·d)2

(1)

其中,σ表示標準差,即基線向量的弦長中誤差(mm),a表示與接收設備有關的固定誤差(mm),b表示比例誤差系數(1×10-6),d表示相鄰點間的距離(km)。

2．3城市軌道交通工程首級控制網設計

根據測區已有的等級控制點分布情況,平面控制網利用靜態GPS測量的方式,以WHCORS網基準站KC點、CD點以及C192,C194,C288為起算點,在整個城區測區范圍內沿線密度均勻、結構合理地設置了27 個D級GPS控制點。為保證點位的內符合精度須滿足《軌道規范》的首級衛星定位控制網的要求,外業觀測每個時段長度增加50%,并提高重復設站的比例,以保證其精度與可靠性。

圖1　城區有軌電車示意圖及首級衛星定位控制網布點圖

GPS網點選點時應盡量使控制網網點與國家各級控制網網點重合,充分利用原有控制點的標石;控制網點之間至少保持兩個方向通視;點位的基礎堅實穩定,易于長期保存,視野開闊,并且遠離大功率無線電發射源[7]。

3　城市軌道交通工程控制網的數據采集與處理

根據GPS控制網對同步閉合環、異步閉合環、重復基線的要求以及測區的具體地理位置即可確定具體的作業實施方案,選擇最佳的觀測時段進行野外數據采集。本文所用的控制網采用九臺South S82-V系列雙頻接收機,用網連式進行外業觀測。

外業觀測后得到的GPS觀測數據,經過數據處理,即可獲得準確的三維坐標。GPS數據處理的流程一般包括數據預處理、基線解算和GPS網平差。

3．1數據預處理與基線向量解算

在得到原始觀測數據后,就要首先對其進行數據預處理,然后再對GPS網的基線向量進行解算[8]。

GPS數據預處理包括外業觀測數據的檢查,探測數據中的粗差,剔除質量不佳的數據,從而提高觀測數據的質量;對觀測質量不太理想的時段進行分析處理,以得到符合要求的觀測數據。數據預處理的目的是改善數據的質量,為進一步的基線結算和網平差做準備。

基線向量是指利用2臺或2臺以上GPS接收機所采集的同步觀測值形成的差分觀測值,也是兩接收機間的三維坐標差?；€解算時一般用雙差觀測值作為差分觀測值,雙差觀測值是由2個測站的原始觀測值分別在測站間求差和衛星間求差后所得到的差分觀測值。雙差觀測值的一般方程如式(2)所示。

基線解算后構成GPS基線向量網,然后我們需要對基線的處理結果進行檢核,指標主要包括:同步環閉合差、異步環閉合差、復測基線較差等,直到所有基線的結果均符合相關規范的要求之后才能進行下一步的GPS網平差。

3．2GPS網平差

網平差的目的主要是為了消除由觀測量和已知條件中存在的誤差而引起的GPS網在幾何上的不一致,改善GPS網的質量并評定其精度,確定GPS網中的點在指定參考系下的坐標以及其他所需參數的估值[9]。

一般來說,通過單一類型的網平差并不能同時實現上述3個目的,所以需分階段采用不同類型的網平差來實現,常見的網平差方法包括三維無約束平差、二維約束平差和聯合平差3種[10～11]。

三維無約束網平差:用上述基線解算檢核后合格的GPS基線向量作為觀測值,其對應的方差-協方差的逆矩陣作為權陣,進行平差計算。該過程主要目的是為了檢查控制網中的基線是否含有粗差以及是否含有明顯的系統性偏差。由于使用的觀測值全部是GPS基線向量,除了引入一個確定位置基準信息的起算點之外,沒有引入其他任何外部起算數據,因此不會引起GPS網在尺度和方位方面的變化,所以其平差結果體現了控制網的內符合精度,反映了觀測值本身的好壞,更符合工程實際[12]。

二維約束平差:其與三維無約束網平差不同的地方在于在平差的過程中引進了會使GPS網尺度與方位發生變化的外部起算數據。二維約束平差主要是將GPS網成果從基線結算時的GPS衛星星歷采用的參考系轉換到指定參考系。

聯合平差:平差時所采用的觀測值不僅包含GPS基線向量,而且包含一些常規的觀測量,如邊長、角度、方向和高差等地面常規的觀測量。

4　實例分析

以某城區一個D級GPS控制網為例,嚴格遵循從高級到低級布設控制網的原則,利用高等級控制點作為起算點進行施測。測區周邊有我院B級GPS點2 個,C級GPS點3個均為二等水準點,作為本工程控制起算依據。本工程共布設D級GPS點27個。

4．1靜態GPS控制測量

本次GPS控制網新增點位共27個,全部按照設計書的要求進行施測。聯測C級GPS控制點2點,聯測B級GPS控制點2點(KC基站和CD基站),外業數據采集分別于2014年9月1日以及2015年3月21日進行。觀測儀器全部為South S82-V系列雙頻接收機,共9臺全部在鑒定有效期內,在測量之前均進行了對中器、水準氣泡的檢校。本項目采用GPS網連式的方式進行同步觀測,分兩期進行觀測,分別為一期控制網及二期控制網,具體網形分布如圖2所示,外業觀測指標如表2所示。

圖2　有軌電車D級靜態GPS控制網一期(左)和二期(右)

GPS實際觀測指標與規范要求 表2

平均重復設站數/次　≥2．0(軌道規范)　一期:2．28二期:2．20同時觀測有效衛星個數　　≥4　?。?數據采樣率/ s　　≤10(軌道規范)　10

4．2數據處理及平差計算

對觀測數據,采用South GPSPro Ver4．0軟件和廣播星歷進行基線解算,分別得到有效基線(雙差固定解)91條和114條。本項目GPS三維向量分別構成閉合環921個和1 728個,同步閉合環224個和633個,異步閉合環697個和1 095個,由GPS三維基線向量所構成的坐標分量相對閉合差和環線全長相對閉合差均小于規范規定要求。

在通過基線檢驗的基礎上,選取有效基線組成三維GPS向量網,進行WGS-84橢球基準下的三維無約束平差。三維無約束平差采用以KC為固定點,按D級網精度要求進行處理,兩期控制網共計205條基線。而在軌道工程中,控制網的內符合精度尤為重要,為進一步分析本項目GPS網的內符合精度,將基線相對精度分布情況統計如圖3所示。

圖3　基線相對精度分布圖

以上三維無約束平差結果表明,本次GPS控制網具有較高的內符合精度,達到并優于規范的要求,為下一步的測量工作打下了堅實的基礎。另外,此次GPS網中,共計新增點位27個,通過解算,各個點位的中誤差如表3所示。

點位中誤差一覽表 表3

如表3所述,最小點位中誤差為1．78 mm (GD06),最大點位中誤差為7．95 mm(GD24),所有點的點位中誤差均小于規范要求的12 mm。

另外,考慮到一期控制網與二期控制網的銜接,重合了部分控制點,為了便于優化選擇,根據固定點在控制網中的分布情況,保證軌道交通各線路的相互對接,經點位兼容性分析,選擇合適的固定點作為最終約束平差結果。平差成果的主要技術指標如表4所示。

不同線路重合點坐標較差表 表4

由表4可知,各期控制網重合點的平面坐標較差均滿足規范規定的不同線路重合點坐標較差≤±25 mm的限差要求,以上成果分析表明,各期衛星定位控制點成果具有較好的一致性,成果可靠性高。

5　結 論

從大量城市交通工程的實例可知,現代有軌電車的建設是對常規交通工具運營量不足的補充,且具有較好的經濟節約性和環境友好性。隨著空間定位系統以及全國各省市CORS系統的不斷發展與完善,其全天候、高效率、高精度的特點越來越突出,在各種工程的平面控制測量中得到了廣泛的應用。而在軌道交通工程中,控制網的內符合精度尤為重要,需在常規GPS施測模式的基礎上增加觀測時段長度、增加重復設站次數等措施以保證其精度達到規范要求。所以,在經典GPS靜態測量模式的基礎上,根據相關規范要求靈活增加相應的保證措施后,用于城區現代有軌電車的建設中具有較高的應用價值和經濟效益。

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Design Research of First Control Network in City Tram

Jiang Shenghua1,Zheng Xian1,Xue Weixing1,2
(1．Wuhan Geomatics Institute,Wuhan 430022,China; 2．School of Geodesy & Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079,China)

Abstract:This paper discussed issues of the establish method and data processing of the first GPS Control Network of the city Urban Rail Transit Project．We processed the GPS observation data with south GPSProVer4．0 software for preprocessing,baseline processing and network adjustment．With taking D-grade GPS control network in the first GPS Control Network,some discussion about its application of urban streetcar are made．

Key words:tram;GPS control network;data processing

文章編號:1672-8262(2015)05-95-04中圖分類號:P228

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—06—11

作者簡介:蔣勝華(1984—),男,工程師,主要從事城市勘測技術工作。

通訊作者:薛衛星(1990—),男,碩士研究生,研究方向:精密工程測量與數據處理理論。

基金項目:國家自然基金(41174010);長江科學院開放研究基金資助項目(CKWV2014217/ KY)。