現(xiàn)代有軌電車基準(zhǔn)框架的設(shè)計(jì)和建立

蔣勝華，張曉章，鄭峴，王磊

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

現(xiàn)代有軌電車基準(zhǔn)框架的設(shè)計(jì)和建立

蔣勝華*，張曉章，鄭峴，王磊

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

結(jié)合有軌電車工程實(shí)例，探索出一條現(xiàn)代的城市有軌電車基準(zhǔn)框架建立的方法；討論了綜合運(yùn)用靜態(tài)GPS技術(shù)、連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)、水準(zhǔn)測(cè)量等多種測(cè)量模式時(shí)所出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題；并對(duì)多種測(cè)量模式在現(xiàn)代有軌電車基準(zhǔn)框架建設(shè)中的應(yīng)用研究以及如何提高測(cè)量精度和可靠性等方面作了一些探討。

有軌電車；基準(zhǔn)框架；GPS控制網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理

1 引 言

現(xiàn)代有軌電車是一種新型綠色的公共交通方式，具有安全、環(huán)保、運(yùn)營(yíng)成本低、舒適性好、交通效率高等優(yōu)點(diǎn)，既彌補(bǔ)了軌道交通覆蓋率低的缺陷，又改善了常規(guī)公交運(yùn)量不足的弱點(diǎn)，對(duì)城市格局、多模式多層次的公共交通系統(tǒng)以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵的推動(dòng)作用，具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。而在現(xiàn)代有軌電車的建設(shè)中，為了提供必要的圖件和資料用于制定合理的施工方案，保證有軌電車建設(shè)項(xiàng)目后續(xù)工作的順利進(jìn)行，現(xiàn)代有軌電車基準(zhǔn)框架的設(shè)計(jì)和建立就顯得至關(guān)重要。

在GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，線狀工程普遍采用全站儀導(dǎo)線測(cè)量的方式建立能夠覆蓋測(cè)區(qū)范圍的工程控制網(wǎng)框架，并在此基礎(chǔ)框架下完成工程所有的測(cè)繪和測(cè)設(shè)工作[2，3]。由于目前衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)得到突飛猛進(jìn)發(fā)展，衛(wèi)星定軌精度的提高、各種誤差模型的精化、模糊度固定求解算法的改善以及高精度數(shù)據(jù)事后處理軟件的發(fā)展，都極大地推動(dòng)了GPS技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。本文以某城區(qū)有軌電車工程為例，詳細(xì)介紹了如何綜合運(yùn)用靜態(tài)GPS技術(shù)、連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)、水準(zhǔn)測(cè)量等多種測(cè)量模式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車基準(zhǔn)框架的設(shè)計(jì)和建立，并對(duì)GPS數(shù)據(jù)處理過(guò)程以及如何提高測(cè)量精度的工程測(cè)量方案進(jìn)行探討。

2 有軌電車基準(zhǔn)框架規(guī)范要求

建立符合城市坐標(biāo)系的有軌電車測(cè)量基準(zhǔn)框架是所有測(cè)量工作的基礎(chǔ)，直接影響到項(xiàng)目建設(shè)后續(xù)工作的順利進(jìn)行。按照GB50308-2008《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》、CJJT73-2010《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》和CJJ/T 8-2011《城市測(cè)量規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的要求，有軌電車工程需首先布設(shè)首級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)[5]。其難點(diǎn)在于首級(jí)控制網(wǎng)需要滿足D級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)和二等水準(zhǔn)網(wǎng)的要求，精度指標(biāo)如表1和表2所示。由于現(xiàn)代有軌電車工程具有長(zhǎng)寬比例大、測(cè)區(qū)帶狀分布、路線主要經(jīng)過(guò)城區(qū)等特性，使得控制網(wǎng)的建立也存在一些特殊性[6]。另外在實(shí)際工作中，由于靜態(tài)GPS技術(shù)、連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)、全站儀測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量等新老測(cè)量模式的綜合利用，能否保證各測(cè)量模式均在一個(gè)測(cè)繪基準(zhǔn)中使得控制點(diǎn)間的系統(tǒng)誤差盡可能小，便成為影響工程質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。

D級(jí)GPS控制網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn) 表1

其中，基線精度按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差，即基線向量的弦長(zhǎng)中誤差(mm)，a表示與接收設(shè)備有關(guān)的固定誤差(mm)，b表示比例誤差系數(shù)(1×10-6)，d表示相鄰點(diǎn)間的距離(km)。

水準(zhǔn)網(wǎng)的精度標(biāo)準(zhǔn) 表2

其中：L表示水準(zhǔn)路線長(zhǎng)度，單位為km。

3 有軌電車基準(zhǔn)框架的設(shè)計(jì)

控制網(wǎng)選點(diǎn)時(shí)應(yīng)均勻布設(shè)在整個(gè)測(cè)區(qū)，有利于控制整個(gè)區(qū)域，方便地形圖測(cè)量，盡量使控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)與國(guó)家各級(jí)控制網(wǎng)點(diǎn)重合，充分利用原有控制點(diǎn)的標(biāo)石；控制網(wǎng)點(diǎn)之間應(yīng)保持2個(gè)方向通視，點(diǎn)位的基礎(chǔ)應(yīng)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長(zhǎng)期保存，視野開(kāi)闊，并遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源[7，8]。

在武漢某城區(qū)有軌電車工程中，嚴(yán)格遵循從高級(jí)到低級(jí)布設(shè)控制網(wǎng)的原則，利用高等級(jí)控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行施測(cè)[7，9]。平面控制網(wǎng)采用分級(jí)布設(shè)的方法，首級(jí)控制網(wǎng)采用靜態(tài)GPS方式布設(shè)，并以三級(jí)RTK點(diǎn)加密；高程控制網(wǎng)采用直接水準(zhǔn)的方式布設(shè)。測(cè)區(qū)周邊B級(jí)GPS點(diǎn)2個(gè)，C級(jí)GPS點(diǎn)3個(gè)均為二等水準(zhǔn)點(diǎn)，作為本工程控制起算依據(jù)，如表3所示。

測(cè)區(qū)基本控制點(diǎn)匯總 表3

本工程共布設(shè)D級(jí)GPS點(diǎn)27個(gè)(含三等水準(zhǔn)點(diǎn)25個(gè))，三級(jí)GPS RTK點(diǎn)73個(gè)，控制網(wǎng)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)情況如表4所示。

控制網(wǎng)點(diǎn)情況統(tǒng)計(jì) 表4

4 有軌電車基準(zhǔn)框架的建立

4.1 D級(jí)靜態(tài)GPS控制測(cè)量

為完成該城區(qū)有軌電車工程控制網(wǎng)的外業(yè)測(cè)量，數(shù)據(jù)采集所用的觀測(cè)設(shè)備全部進(jìn)行了鑒定并在出測(cè)之前均進(jìn)行了對(duì)中器、水準(zhǔn)氣泡的檢校，其中所用的GPS接收機(jī)均為南方S82-V系列雙頻接收機(jī)。

在靜態(tài)GPS控制測(cè)量中，采用GPS網(wǎng)連式的方式進(jìn)行同步觀測(cè)，外業(yè)觀測(cè)每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)度增加50%。分一期和二期布設(shè)控制網(wǎng)，實(shí)施數(shù)據(jù)采集工作，雖然保障了工期，但也帶來(lái)了兩期成果間的系統(tǒng)誤差。為克服該項(xiàng)誤差，保障有軌電車的順利合攏，對(duì)兩期控制點(diǎn)進(jìn)行了重復(fù)觀測(cè)，利用多種測(cè)量模式，增加多余觀測(cè)值。

本文采用南方GPSPro Ver4.0軟件來(lái)對(duì)兩期控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到基線向量的雙差固定解以及測(cè)站坐標(biāo)[10，11]。一期控制網(wǎng)得到有效基線91條，基線向量構(gòu)成閉合環(huán)共計(jì)921個(gè)，其中同步閉合環(huán)224個(gè)，異步閉合環(huán)697個(gè)；二期控制網(wǎng)得到有效基線114條，基線向量構(gòu)成閉合環(huán)共計(jì) 1 728個(gè)，其中同步閉合環(huán)633個(gè)，異步閉合環(huán) 1 095個(gè)。

在軌道工程中，控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度尤為重要，為分析本工程GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度，將基線相對(duì)精度分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。其中，兩期控制網(wǎng)最弱邊分別為GD01～GD02、GD16～GD18，最弱邊相對(duì)中誤差分別為1/125238、1/122617，滿足設(shè)計(jì)要求。

在通過(guò)基線檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取有效基線組成三維GPS向量網(wǎng)，進(jìn)行WGS-84橢球基準(zhǔn)下的三維無(wú)約束平差。嚴(yán)格平差后，各點(diǎn)位的中誤差如圖1所示：

從圖1可以看出，最小點(diǎn)位中誤差為 1.78 mm(GD06)，最大點(diǎn)位中誤差為 7.95 mm(GD24)，所有點(diǎn)位的中誤差均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的 12 mm。

圖1 GPS控制測(cè)量點(diǎn)位中誤差

4.2 三級(jí)RTK控制測(cè)量

在三級(jí)點(diǎn)的加密中充分利用了城區(qū)的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(WHCORS)。利用基于WHCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量技術(shù)，結(jié)合似大地水準(zhǔn)面格網(wǎng)數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了平面及高程的厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位，取代了常規(guī)低等級(jí)控制測(cè)量，省去測(cè)量標(biāo)志保護(hù)與維護(hù)的費(fèi)用；此外在碎部點(diǎn)采集中也得到了充分利用，很大程度取代了常規(guī)的全站儀采集數(shù)據(jù)，降低測(cè)繪勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，大大提高了作業(yè)效率。

三級(jí)點(diǎn)的加密共布設(shè)控制點(diǎn)73個(gè)，施測(cè)前和施測(cè)后對(duì)高級(jí)控制點(diǎn)各檢核一次，平面檢測(cè)誤差不小于 5 cm，滿足規(guī)范要求。施測(cè)時(shí)，采用三腳架，嚴(yán)格進(jìn)行了對(duì)中整平，PDOP值均控制在4.0以內(nèi)，每次觀測(cè) 3 min，分三個(gè)時(shí)段對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其三次施測(cè)平面較差小于 ±2 cm，高程較差小于 ±3 cm，最后取其平均值作為RTK施測(cè)的控制成果。質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如表6所示。

在采用RTK測(cè)量時(shí)為加強(qiáng)檢核，三級(jí)點(diǎn)與相鄰高等級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，共進(jìn)行了40個(gè)定邊定角檢查，精度均符合設(shè)計(jì)要求，其中定角檢查最大差值為23″，定邊檢查最大差值為 0.021 m。

RTK三級(jí)控制測(cè)量質(zhì)量 表6

4.3 二等水準(zhǔn)控制測(cè)量

水準(zhǔn)測(cè)量利用數(shù)字水準(zhǔn)儀(萊卡 DNA03 349033)及銦鋼尺(50804 50809)進(jìn)行施測(cè)，采用中絲讀數(shù)法進(jìn)行往返觀測(cè)，兩條線路分別起閉于二等水準(zhǔn)點(diǎn)，共計(jì)三等水準(zhǔn)點(diǎn)25個(gè)。水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)觀測(cè)中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)書的要求進(jìn)行，具體精度如表7所示。

水準(zhǔn)測(cè)量精度 表7

以上結(jié)果表明，此次測(cè)量成果完全達(dá)到設(shè)計(jì)書的要求，即達(dá)到《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》的限差要求，也即優(yōu)于《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》的二等水準(zhǔn)要求，完全滿足項(xiàng)目的施工等各項(xiàng)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代有軌電車的建設(shè)，既彌補(bǔ)了軌道交通覆蓋率低的缺陷，又改善了常規(guī)公交運(yùn)量不足的弱點(diǎn)。建立一套符合城市坐標(biāo)系的有軌電車測(cè)量基準(zhǔn)框架對(duì)后續(xù)現(xiàn)代化有軌電車建設(shè)意義重大。

本文結(jié)合某城區(qū)現(xiàn)代有軌電車建設(shè)工程實(shí)例，探索出一條符合規(guī)范的城市有軌電車基準(zhǔn)框架建立的方法。以D級(jí)靜態(tài)GPS控制網(wǎng)作為基準(zhǔn)框架的首級(jí)控制網(wǎng)，高程控制網(wǎng)采用二等水準(zhǔn)的方式布設(shè)，并充分利用城區(qū)CORS網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量技術(shù)，結(jié)合似大地水準(zhǔn)面格網(wǎng)數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)平面及高程的厘米級(jí)實(shí)時(shí)定位，取代了常規(guī)低等級(jí)控制測(cè)量，為后續(xù)有軌電車建設(shè)工作提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

為保證基準(zhǔn)框架的內(nèi)符合精度滿足要求，除增加觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度、增加重復(fù)設(shè)站次數(shù)等措施外，靜態(tài)GPS、CORS、水準(zhǔn)測(cè)量等多種測(cè)量模式的綜合運(yùn)用能夠相互印證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保障了成果的可靠性。

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Design and Establishment of Modern Tram Reference Framework

Jiang Shenghua，Zhang Xiaozhang，Zheng Xian，Wang Lei

(Wuhan Geomatic Institute，Wuhan 430022，China)

Combining a tram engineering instance，an establishment method of modern tram reference framework is explored in line with norms，and the issue is discussed when using multi-mode measurement techniques，including static GPS，CORS，leveling surveying，etc. This paper also makes some discussion on the application of multi-mode measurement techniques in city tram building and how to improve the measurement accuracy and reliability.

tram；reference framework；GPS control network；data processing

1672-8262(2017)03-94-03

P228，P258

B

2016—07—29

蔣勝華(1984—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事城市勘測(cè)技術(shù)管理工作。