北京市地鐵八號線三期首級GPS控制網的建立及精度分析

2016-01-12 03:16:05李森

全球定位系統 2015年5期

李森

(北京市測繪設計研究院,北京 100038)

摘要：介紹了北京市地鐵八號線三期首級GPS平面控制網的布設,以及后期的外業觀測、基線向量解算和控制網平差,并對整個GPS控制網精度進行分析評定,對施測及數據處理進行經驗總結。

關鍵詞：控制網布設;穩定性分析;基線解算;網平差;精度分析

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.019

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：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

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

工程概況:北京市地鐵8號線三期線路起于二期終點王府井北站,南至五福堂站,長約17.3 km,共設置車站14座,其中8座為換乘站。地鐵總體呈南北走向,經過著名的王府井商業街、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。由于控制路線布設沿地鐵線路量測,呈南北條狀,經過繁華市區的主干道,車流量大、過往行人多,給現場測量帶來很多困難。

1GPS平面控制網的布設

北京市地鐵八號線三期首級GPS平面控制網的坐標系統采用北京市地方坐標系統,為保證GPS網具有較高的內符合精度,首級GPS平面控制網在北京市GPS C級網框架下布設。該網沿地鐵線路按邊連式布設構成GPS網。考慮GPS網的圖形強度,全網共選點33個,包括北京市C級GPS點5個,新選GPS控制點18個,已有其它地鐵首級GPS控制點10個。控制點點位分布如圖1所示。

2GPS已知點穩定性分析

為了保證全網平差基準的一致性,避免網型的扭曲,在進行GPS控制網網平差前,必須對已知平面起算數據的穩定性和兼容性進行分析[4-6]。在北京市地鐵8號線三期首級GPS控制網中,對使用的5個已知點進行可靠性檢驗,采用空點法對已知點進行檢驗。為對已知起算點進行全面合理的檢驗,在網平差前設計三個檢驗方案。方案一:選取YZD4、YZD1、YZD5三個點作為已知點,YZD2、YZD3作為待定點進行約束平差。方案二:以YZD2、YZD3作為已知點,YZD4、YZD1、YZD5作為待定點進行約束平差。方案三:以YZD2、YZD4、YZD5作為已知點,YZD3、YZD1作為待定點進行約束平差。

由表1可知,根據設計的三種方案,對5個已知起算點進行穩定性和可靠性檢驗,三種方案的點位誤差均為毫米級,最大點位誤差0.24 mm,最小點位誤差0.10 mm;與已知坐標值較差中最大值26.5 mm,最小值5.8 mm;最短邊相對誤差小于1/45萬。結果表明:選取的5個已知起算點穩定性和兼容性較好,可以作為本工程的起算數據使用。

聯系人：李森 E-mail: lisen@bism.cn

圖1　北京市地鐵八號線三期GPS控制網

精度方案點號X方向誤差/mmY方向誤差/mm點位誤差/mm點位較差/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控制網的施測

為提高測量精度,保證測量精度的統一性,為提高整網精度,采用網聯式進行外業觀測,為避免GPS接收機系統誤差的累計,保證外業觀測數據的可靠性,要求重復設站率>=2,每一觀測點位重復設站時必須使用不同的GPS接收機[7]。采用8臺SOKKIA GSR2700ISX 型雙頻接收機進行同步靜態觀測,儀器標稱水平精度3 mm+0.5 ppm,垂直精度10.0 mm+1 ppm,共觀測13個時段。

控制測量作業前,對GPS接收機和天線設備進行全面檢驗,經檢定接收機各項指標均達到正常水平方可進行測量。按GPS外業測量的相關規定逐項填寫外業觀測手薄。

4GPS網的基線解算與網平差

1) 數據預處理

平差前對觀測數據進行預處理,對每一個測站觀測數據利用TEQC軟件進行質量檢查,檢查內容包括:測站開始時間、結束時間、觀測時間、采樣間隔、有效利用率、多路徑效應和周跳比等。所有測站的數據有效利用率中最小81%最大100%,滿足規范要求(規范要求≥80%)。表3為每個時段測站觀測數據利用率的最大最小值。

表2　每時段測站數據利用率統計表

2) 基線解算

基線解算采用Trimble 公司的GPS精密靜態數據處理軟件TBC(Trimble Business Center)。對周跳較多或數據質量較差的時段進行刪除或用分段處理方法進行基線解算[8-9]。全部基線解算結果中: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) 網平差

采用武漢大學測繪學院的“地面測量工程控制測量數據處理通用軟件包(Version6.0)”進行平差計算,平差前對已知點進行可靠性檢驗,參與平差的獨立基線必須為合格基線,將全部獨立基線構成閉合圖形,以三維基線向量及其相應方差協方差陣作為觀測信息,以YZD3的WGS-84坐標系的三維坐標作為起算數據,在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差,并提供WGS-84的三維坐標、坐標差觀測值的總改正數、基線邊長及點位和邊長的精度信息。如出現環閉合差超限的情況,采用重復基線重新計算,在所有閉合環符合要求后方能進行下一步平差計算。平差后基線向量改正數的絕對值應滿足規范要求限差。

選用測區內C級GPS已知點進行二維約束平差,由于CosaGPS同步環閉合差限差未采用現行規范要求,所以全部異步環閉合差限差按照新規范進行手工計算,所有異步環閉合差滿足設計要求。

5精度分析

選取95條合格的獨立基線,構成49個異步環,表3為所有異步環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閉合差)。在進行三維平差和二維平差后得到各點的點位中誤差,圖2示出了三維平差后各點的點位中誤差,其中最弱點位中誤差為1.64 cm,圖3示出了二維平差后點的點位中誤差,其中最弱點位中誤差為0.43 cm.GPS最弱邊相對中誤差為1/201000(設計要求1/100000);最弱點的點位中誤差為0.59cm(設計要求≤1.2 cm);相鄰點相對點位中誤差最大值為4.9 mm(設計要求≤10 mm)。