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

城區(qū)有軌電車(chē)首級(jí)控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)研究

蔣勝華1?,鄭峴1,薛衛(wèi)星1,2
(1．武漢市測(cè)繪研究院,湖北武漢 430022; 2．武漢大學(xué)測(cè)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(jí)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(wèn)題,采用South GPSProV-er4．0軟件對(duì)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、基線處理和網(wǎng)平差。對(duì)D級(jí)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)在城區(qū)有軌電車(chē)首級(jí)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(chē)；GPS控制網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理

1　引 言

現(xiàn)代有軌電車(chē)是一種新型綠色的公共交通方式,它既彌補(bǔ)了軌道交通覆蓋不足的缺陷,又彌補(bǔ)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[1]。按照《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》、《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》和《城市測(cè)量規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的要求,有軌電車(chē)需首先布設(shè)首級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)[2]。在線性工程測(cè)量中,一般存在已知點(diǎn)較少、已知點(diǎn)位分布不佳、控制網(wǎng)網(wǎng)形呈帶狀、相對(duì)高差大等因素[3]。使用傳統(tǒng)的測(cè)量手段布設(shè)線性控制網(wǎng)不僅難度大、工作繁瑣耗時(shí),而且不好控制誤差的積累,而這些技術(shù)難點(diǎn)也都是衛(wèi)星定位控制網(wǎng)需要克服的[4]。近些年來(lái),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(duì)流層)的精化,整周模糊度求解算法的改進(jìn),極大提高了GNSS定位的精度與可靠性;同時(shí)衛(wèi)星定位算法的不斷改進(jìn),促進(jìn)了高精度GPS精密后處理軟件的不斷發(fā)展,進(jìn)一步提高了衛(wèi)星測(cè)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(cè)量模式。在各級(jí)測(cè)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(cè)量手段[5]。

本文以某城區(qū)的一個(gè)有軌電車(chē)控制網(wǎng)為例,詳細(xì)介紹城市軌道交通工程首級(jí)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(jí)GPS靜態(tài)控制網(wǎng)建立城市軌道交通工程首級(jí)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(jí)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(diǎn)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(cè)量網(wǎng)中所有控制點(diǎn)的坐標(biāo);各等級(jí)大地測(cè)量控制網(wǎng)的建立是為了精密確定地面點(diǎn)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(gè)等級(jí)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(jí)控制網(wǎng)的精度及等級(jí)

城市軌道交通工程首級(jí)控制網(wǎng)是衛(wèi)星定位控制網(wǎng),其控制網(wǎng)的設(shè)計(jì)按照GPS靜態(tài)相對(duì)定位原理進(jìn)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(jí)及精度標(biāo)準(zhǔn) 表1

其中,衛(wèi)星定位控制網(wǎng)相鄰點(diǎn)間的基線精度按式(1)計(jì)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(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)。

2．3城市軌道交通工程首級(jí)控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)區(qū)已有的等級(jí)控制點(diǎn)分布情況,平面控制網(wǎng)利用靜態(tài)GPS測(cè)量的方式,以WHCORS網(wǎng)基準(zhǔn)站KC點(diǎn)、CD點(diǎn)以及C192,C194,C288為起算點(diǎn),在整個(gè)城區(qū)測(cè)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(gè)D級(jí)GPS控制點(diǎn)。為保證點(diǎn)位的內(nèi)符合精度須滿足《軌道規(guī)范》的首級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的要求,外業(yè)觀測(cè)每個(gè)時(shí)段長(zhǎng)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(chē)示意圖及首級(jí)衛(wèi)星定位控制網(wǎng)布點(diǎn)圖

GPS網(wǎng)點(diǎn)選點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量使控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)與國(guó)家各級(jí)控制網(wǎng)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)之間至少保持兩個(gè)方向通視;點(diǎn)位的基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定,易于長(zhǎng)期保存,視野開(kāi)闊,并且遠(yuǎn)離大功率無(wú)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(duì)同步閉合環(huán)、異步閉合環(huán)、重復(fù)基線的要求以及測(cè)區(qū)的具體地理位置即可確定具體的作業(yè)實(shí)施方案,選擇最佳的觀測(cè)時(shí)段進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。本文所用的控制網(wǎng)采用九臺(tái)South S82-V系列雙頻接收機(jī),用網(wǎng)連式進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)。

外業(yè)觀測(cè)后得到的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)后,就要首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,然后再對(duì)GPS網(wǎng)的基線向量進(jìn)行解算[8]。

GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理包括外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢查,探測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量;對(duì)觀測(cè)質(zhì)量不太理想的時(shí)段進(jìn)行分析處理,以得到符合要求的觀測(cè)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(jìn)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(tái)或2臺(tái)以上GPS接收機(jī)所采集的同步觀測(cè)值形成的差分觀測(cè)值,也是兩接收機(jī)間的三維坐標(biāo)差。基線解算時(shí)一般用雙差觀測(cè)值作為差分觀測(cè)值,雙差觀測(cè)值是由2個(gè)測(cè)站的原始觀測(cè)值分別在測(cè)站間求差和衛(wèi)星間求差后所得到的差分觀測(cè)值。雙差觀測(cè)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(duì)基線的處理結(jié)果進(jìn)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(cè)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(jìn)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(cè)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(píng)定其精度,確定GPS網(wǎng)中的點(diǎn)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(lái)說(shuō),通過(guò)單一類(lèi)型的網(wǎng)平差并不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)目的,所以需分階段采用不同類(lèi)型的網(wǎng)平差來(lái)實(shí)現(xiàn),常見(jiàn)的網(wǎng)平差方法包括三維無(wú)約束平差、二維約束平差和聯(lián)合平差3種[10～11]。

三維無(wú)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(cè)值,其對(duì)應(yīng)的方差-協(xié)方差的逆矩陣作為權(quán)陣,進(jìn)行平差計(jì)算。該過(guò)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(cè)值全部是GPS基線向量,除了引入一個(gè)確定位置基準(zhǔn)信息的起算點(diǎn)之外,沒(méi)有引入其他任何外部起算數(shù)據(jù),因此不會(huì)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(cè)值本身的好壞,更符合工程實(shí)際[12]。

二維約束平差:其與三維無(wú)約束網(wǎng)平差不同的地方在于在平差的過(guò)程中引進(jìn)了會(huì)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(shí)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(shí)所采用的觀測(cè)值不僅包含GPS基線向量,而且包含一些常規(guī)的觀測(cè)量,如邊長(zhǎng)、角度、方向和高差等地面常規(guī)的觀測(cè)量。

4　實(shí)例分析

以某城區(qū)一個(gè)D級(jí)GPS控制網(wǎng)為例,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)。測(cè)區(qū)周邊有我院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)。本工程共布設(shè)D級(jí)GPS點(diǎn)27個(gè)。

4．1靜態(tài)GPS控制測(cè)量

本次GPS控制網(wǎng)新增點(diǎn)位共27個(gè),全部按照設(shè)計(jì)書(shū)的要求進(jìn)行施測(cè)。聯(lián)測(cè)C級(jí)GPS控制點(diǎn)2點(diǎn),聯(lián)測(cè)B級(jí)GPS控制點(diǎn)2點(diǎn)(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(jìn)行。觀測(cè)儀器全部為South S82-V系列雙頻接收機(jī),共9臺(tái)全部在鑒定有效期內(nèi),在測(cè)量之前均進(jìn)行了對(duì)中器、水準(zhǔn)氣泡的檢校。本項(xiàng)目采用GPS網(wǎng)連式的方式進(jìn)行同步觀測(cè),分兩期進(jìn)行觀測(cè),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(cè)指標(biāo)如表2所示。

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

GPS實(shí)際觀測(cè)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(shí)觀測(cè)有效衛(wèi)星個(gè)數(shù)　　≥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(jì)算

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù),采用South GPSPro Ver4．0軟件和廣播星歷進(jìn)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(xiàng)目GPS三維向量分別構(gòu)成閉合環(huán)921個(gè)和1 728個(gè),同步閉合環(huán)224個(gè)和633個(gè),異步閉合環(huán)697個(gè)和1 095個(gè),由GPS三維基線向量所構(gòu)成的坐標(biāo)分量相對(duì)閉合差和環(huán)線全長(zhǎng)相對(duì)閉合差均小于規(guī)范規(guī)定要求。

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。三維無(wú)約束平差采用以KC為固定點(diǎn),按D級(jí)網(wǎng)精度要求進(jìn)行處理,兩期控制網(wǎng)共計(jì)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(jìn)一步分析本項(xiàng)目GPS網(wǎng)的內(nèi)符合精度,將基線相對(duì)精度分布情況統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3　基線相對(duì)精度分布圖

以上三維無(wú)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(dá)到并優(yōu)于規(guī)范的要求,為下一步的測(cè)量工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外,此次GPS網(wǎng)中,共計(jì)新增點(diǎn)位27個(gè),通過(guò)解算,各個(gè)點(diǎn)位的中誤差如表3所示。

點(diǎn)位中誤差一覽表 表3

如表3所述,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)的點(diǎn)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(diǎn),為了便于優(yōu)化選擇,根據(jù)固定點(diǎn)在控制網(wǎng)中的分布情況,保證軌道交通各線路的相互對(duì)接,經(jīng)點(diǎn)位兼容性分析,選擇合適的固定點(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)較差表 表4

由表4可知,各期控制網(wǎng)重合點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)例可知,現(xiàn)代有軌電車(chē)的建設(shè)是對(duì)常規(guī)交通工具運(yùn)營(yíng)量不足的補(bǔ)充,且具有較好的經(jīng)濟(jì)節(jié)約性和環(huán)境友好性。隨著空間定位系統(tǒng)以及全國(guó)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(diǎn)越來(lái)越突出,在各種工程的平面控制測(cè)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(cè)模式的基礎(chǔ)上增加觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度、增加重復(fù)設(shè)站次數(shù)等措施以保證其精度達(dá)到規(guī)范要求。所以,在經(jīng)典GPS靜態(tài)測(cè)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(chē)的建設(shè)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)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(hào):1672-8262(2015)05-95-04中圖分類(lèi)號(hào):P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—06—11

作者簡(jiǎn)介:蔣勝華(1984—),男,工程師,主要從事城市勘測(cè)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(cè)量與數(shù)據(jù)處理理論。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然基金(41174010);長(zhǎng)江科學(xué)院開(kāi)放研究基金資助項(xiàng)目(CKWV2014217/ KY)。