城區(qū)有軌電車首級控制網(wǎng)的設(shè)計研究

蔣勝華,鄭峴,薛衛(wèi)星,2(．武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北武漢 430079)

城區(qū)有軌電車首級控制網(wǎng)的設(shè)計研究

蔣勝華1?,鄭峴1,薛衛(wèi)星1,2
(1．武漢市測繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北武漢 430079)

摘 要:討論了城區(qū)城市軌道交通工程首級衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的建立以及數(shù)據(jù)后處理的相關(guān)問題,采用South GPSProV-er4．0軟件對GPS觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、基線處理和網(wǎng)平差。對D級GPS靜態(tài)控制網(wǎng)在城區(qū)有軌電車首級衛(wèi)星控制網(wǎng)的應(yīng)用研究作了一些探討。

關(guān)鍵詞:有軌電車；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,它既彌補了軌道交通覆蓋不足的缺陷,又彌補了常規(guī)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(tǒng)以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵的推動作用[1]。按照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》、《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》和《城市測量規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的要求,有軌電車需首先布設(shè)首級衛(wèi)星定位控制網(wǎng)[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(wǎng)網(wǎng)形呈帶狀、相對高差大等因素[3]。使用傳統(tǒng)的測量手段布設(shè)線性控制網(wǎng)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(shù)難點也都是衛(wèi)星定位控制網(wǎng)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(tǒng)不斷發(fā)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(wèi)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(fā)展,進一步提高了衛(wèi)星測量定位的精度。這使空間定位技術(shù)得到充分的應(yīng)用,尤其是靜態(tài)GPS測量模式。在各級測量控制網(wǎng)的建立方面,GPS定位技術(shù)已基本上取代了傳統(tǒng)的測量手段[5]。

本文以某城區(qū)的一個有軌電車控制網(wǎng)為例,詳細介紹城市軌道交通工程首級衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的建立、數(shù)據(jù)采集和事后數(shù)據(jù)處理以及用D級GPS靜態(tài)控制網(wǎng)建立城市軌道交通工程首級衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的應(yīng)用研究。

2　城市軌道交通工程首級控制網(wǎng)的建立

2．1城市軌道交通工程平面控制網(wǎng)概述

控制網(wǎng)是指按一定原則布設(shè)的由一系列固定點所構(gòu)成的相互聯(lián)系的網(wǎng),然后按一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)測量網(wǎng)中所有控制點的坐標(biāo);各等級大地測量控制網(wǎng)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(wǎng)由兩個等級組成,一等為衛(wèi)星定位控制網(wǎng),二等為精密導(dǎo)線網(wǎng)。

2．2城市軌道交通工程首級控制網(wǎng)的精度及等級

城市軌道交通工程首級控制網(wǎng)是衛(wèi)星定位控制網(wǎng),其控制網(wǎng)的設(shè)計按照GPS靜態(tài)相對定位原理進行,主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的等級及精度標(biāo)準(zhǔn) 表1

其中,衛(wèi)星定位控制網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)差,即基線向量的弦長中誤差(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表示相鄰點間的距離(km)。

2．3城市軌道交通工程首級控制網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)測區(qū)已有的等級控制點分布情況,平面控制網(wǎng)利用靜態(tài)GPS測量的方式,以WHCORS網(wǎng)基準(zhǔn)站KC點、CD點以及C192,C194,C288為起算點,在整個城區(qū)測區(qū)范圍內(nèi)沿線密度均勻、結(jié)構(gòu)合理地設(shè)置了27 個D級GPS控制點。為保證點位的內(nèi)符合精度須滿足《軌道規(guī)范》的首級衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的要求,外業(yè)觀測每個時段長度增加50%,并提高重復(fù)設(shè)站的比例,以保證其精度與可靠性。

圖1　城區(qū)有軌電車示意圖及首級衛(wèi)星定位控制網(wǎng)布點圖

GPS網(wǎng)點選點時應(yīng)盡量使控制網(wǎng)網(wǎng)點與國家各級控制網(wǎng)網(wǎng)點重合,充分利用原有控制點的標(biāo)石;控制網(wǎng)點之間至少保持兩個方向通視;點位的基礎(chǔ)堅實穩(wěn)定,易于長期保存,視野開闊,并且遠離大功率無線電發(fā)射源[7]。

3　城市軌道交通工程控制網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與處理

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

外業(yè)觀測后得到的GPS觀測數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,即可獲得準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)。GPS數(shù)據(jù)處理的流程一般包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算和GPS網(wǎng)平差。

3．1數(shù)據(jù)預(yù)處理與基線向量解算

在得到原始觀測數(shù)據(jù)后,就要首先對其進行數(shù)據(jù)預(yù)處理,然后再對GPS網(wǎng)的基線向量進行解算[8]。

GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理包括外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的檢查,探測數(shù)據(jù)中的粗差,剔除質(zhì)量不佳的數(shù)據(jù),從而提高觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量;對觀測質(zhì)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(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是改善數(shù)據(jù)的質(zhì)量,為進一步的基線結(jié)算和網(wǎng)平差做準(zhǔn)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(biāo)差。基線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(wèi)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(gòu)成GPS基線向量網(wǎng),然后我們需要對基線的處理結(jié)果進行檢核,指標(biāo)主要包括:同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差、復(fù)測基線較差等,直到所有基線的結(jié)果均符合相關(guān)規(guī)范的要求之后才能進行下一步的GPS網(wǎng)平差。

3．2GPS網(wǎng)平差

網(wǎng)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(wǎng)在幾何上的不一致,改善GPS網(wǎng)的質(zhì)量并評定其精度,確定GPS網(wǎng)中的點在指定參考系下的坐標(biāo)以及其他所需參數(shù)的估值[9]。

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

三維無約束網(wǎng)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(yīng)的方差-協(xié)方差的逆矩陣作為權(quán)陣,進行平差計算。該過程主要目的是為了檢查控制網(wǎng)中的基線是否含有粗差以及是否含有明顯的系統(tǒng)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(zhǔn)信息的起算點之外,沒有引入其他任何外部起算數(shù)據(jù),因此不會引起GPS網(wǎng)在尺度和方位方面的變化,所以其平差結(jié)果體現(xiàn)了控制網(wǎng)的內(nèi)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(wǎng)平差不同的地方在于在平差的過程中引進了會使GPS網(wǎng)尺度與方位發(fā)生變化的外部起算數(shù)據(jù)。二維約束平差主要是將GPS網(wǎng)成果從基線結(jié)算時的GPS衛(wèi)星星歷采用的參考系轉(zhuǎn)換到指定參考系。

聯(lián)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(guī)的觀測量,如邊長、角度、方向和高差等地面常規(guī)的觀測量。

4　實例分析

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

4．1靜態(tài)GPS控制測量

本次GPS控制網(wǎng)新增點位共27個,全部按照設(shè)計書的要求進行施測。聯(lián)測C級GPS控制點2點,聯(lián)測B級GPS控制點2點(KC基站和CD基站),外業(yè)數(shù)據(jù)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(nèi),在測量之前均進行了對中器、水準(zhǔn)氣泡的檢校。本項目采用GPS網(wǎng)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(wǎng)及二期控制網(wǎng),具體網(wǎng)形分布如圖2所示,外業(yè)觀測指標(biāo)如表2所示。

圖2　有軌電車D級靜態(tài)GPS控制網(wǎng)一期(左)和二期(右)

GPS實際觀測指標(biāo)與規(guī)范要求 表2

平均重復(fù)設(shè)站數(shù)/次　≥2．0(軌道規(guī)范)　一期:2．28二期:2．20同時觀測有效衛(wèi)星個數(shù)　　≥4　　＞4數(shù)據(jù)采樣率/ s　　≤10(軌道規(guī)范)　10

4．2數(shù)據(jù)處理及平差計算

對觀測數(shù)據(jù),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(gòu)成閉合環(huán)921個和1 728個,同步閉合環(huán)224個和633個,異步閉合環(huán)697個和1 095個,由GPS三維基線向量所構(gòu)成的坐標(biāo)分量相對閉合差和環(huán)線全長相對閉合差均小于規(guī)范規(guī)定要求。

在通過基線檢驗的基礎(chǔ)上,選取有效基線組成三維GPS向量網(wǎng),進行WGS-84橢球基準(zhǔn)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(wǎng)精度要求進行處理,兩期控制網(wǎng)共計205條基線。而在軌道工程中,控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度尤為重要,為進一步分析本項目GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度,將基線相對精度分布情況統(tǒng)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(jié)果表明,本次GPS控制網(wǎng)具有較高的內(nèi)符合精度,達到并優(yōu)于規(guī)范的要求,為下一步的測量工作打下了堅實的基礎(chǔ)。另外,此次GPS網(wǎng)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(guī)范要求的12 mm。

另外,考慮到一期控制網(wǎng)與二期控制網(wǎng)的銜接,重合了部分控制點,為了便于優(yōu)化選擇,根據(jù)固定點在控制網(wǎng)中的分布情況,保證軌道交通各線路的相互對接,經(jīng)點位兼容性分析,選擇合適的固定點作為最終約束平差結(jié)果。平差成果的主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

不同線路重合點坐標(biāo)較差表 表4

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

5　結(jié) 論

從大量城市交通工程的實例可知,現(xiàn)代有軌電車的建設(shè)是對常規(guī)交通工具運營量不足的補充,且具有較好的經(jīng)濟節(jié)約性和環(huán)境友好性。隨著空間定位系統(tǒng)以及全國各省市CORS系統(tǒng)的不斷發(fā)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(yīng)用。而在軌道交通工程中,控制網(wǎng)的內(nèi)符合精度尤為重要,需在常規(guī)GPS施測模式的基礎(chǔ)上增加觀測時段長度、增加重復(fù)設(shè)站次數(shù)等措施以保證其精度達到規(guī)范要求。所以,在經(jīng)典GPS靜態(tài)測量模式的基礎(chǔ)上,根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求靈活增加相應(yīng)的保證措施后,用于城區(qū)現(xiàn)代有軌電車的建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 崔亞南．現(xiàn)代有軌電車應(yīng)用模式及區(qū)域適用性評價研究[D]．北京:北京交通大學(xué),2012．

[2] 王志武,鄭永海．GPS在城市區(qū)域控制測量中的應(yīng)用[J]．水利與建筑工程學(xué)報,2010(1):120～121,150．

[3] 黃聲享,尹暉,蔣征．變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理(第二版)[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社,2010．

[4] 吳浩,楊劍,黎華．GPS原理及工程安全監(jiān)測應(yīng)用[M]．武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2014．

[5] 馬全明．城市軌道交通工程精密施工測量技術(shù)的應(yīng)用與研究[J]．測繪通報,2010(11):41～45．

[6] 陳俊勇,楊元喜,王敏等．2000國家大地控制網(wǎng)的構(gòu)建和它的技術(shù)進步[J]．測繪學(xué)報,2007(1):1～8．

[7] 章迪,尹暉,郭際明等．特高壓輸電線路對GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量影響分析[J]．大地測量與地球動力學(xué),2013(5):58 ～62．

[8] 張辛,許其鳳,楊愛明等．GPS數(shù)據(jù)處理軟件的功能與性能分析[J]．測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2014(4):347～350, 354．

[9] 賀小星,周世健．某城區(qū)D級GPS靜態(tài)控制網(wǎng)設(shè)計與實施[J]．江西科學(xué),2012(30):295～298,318．

[10] 李征航,黃勸松．GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]．武漢:武漢大學(xué)出版社,2010．

[11] 黃觀文,張勤,丁曉光等．一種高精度GPS基線網(wǎng)平差及軟件研制[J]．測繪科學(xué),2009(2):167～169．

[12] Alireza AmiriSeemkooei．Analytical methods in optimization and design of geodetic networks[D]．K．N．Toosi University of Technology,1998．

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(biāo)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(shù)工作。

通訊作者:薛衛(wèi)星(1990—),男,碩士研究生,研究方向:精密工程測量與數(shù)據(jù)處理理論。

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