GPS在地铁控制测量中的应用

2013-09-28付仲花

地理空间信息 2013年1期

付仲花，刘静

（1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京100038）

近年来，城市地铁建设进入黄金时期，建设规模的扩大和技术标准的提高给测量工作提出了更高的要求。GPS网的布设是地铁所有测量的基础和依据[1]。本文以北京某地铁线GPS控制测量为例，简述了GPS系统在地铁工程控制测量中的应用情况。

1 GPS简介

GPS是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。单点导航定位与相对测地定位是GPS应用的2个方面，对常规测量而言相对测地定位是主要的应用方式[2]。

GPS定位是根据测量中的距离交会原理实现的。在某一时刻同时接收3颗（或3颗以上）卫星S1、S2、S3所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离ρ1、ρ2、ρ3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标（Xj，Yj，Zj），j=1,2,3，从而由下式解算出该点的三维坐标（X，Y，Z）：

2 GPS控制网设计

2.1 GPS控制网的精度要求

通常地铁平面控制网由2个等级组成，一等为卫星定位控制网，二等为精密导线网。按照《城市轨道交通工程测量规范》[3]要求，GPS控制网的主要技术指标：平均边长为2 km，最弱点的点位中误差在±12 mm以内，相邻点的相对点位中误差在±10 mm以内，最弱边的相对中误差为1/100 000，与现有城市控制点的坐标较差小于50 mm，与不同线路控制网重合点坐标较差小于25 mm。

2.2 GPS控制网的方案设计

2.2.1 已知点的选择和利用

GPS内应重合3～5个原有城市二等控制点或国家一、二等控制点，并尽量保证分布均匀[4]。经过现场踏勘、比较，采用靠近线路附近的北京市C级GPS“A”、“B”、“C”、“D” 4 个点为起算点。

2.2.2 地铁GPS控制网的选点与埋设

在隧道口、竖井、车站和车辆段附近应布设1～2个控制点，相邻控制点应有2个以上方向通视，其他位置的控制点间应至少有1个方向通视。

结合北京某地铁线线路特点、车站位置关系等，控制网采用边、网混连式结构，以线路沿线的通视边为基础，由若干个独立的异步环构成闭合图形。每个控制点都有2条以上基线通过，网中不存在自由基线。GPS控制网布设示意图如图1所示。

图1 北京某地铁线GPS控制网布设示意图

3 GPS控制网观测

GPS控制网观测主要包括制定观测计划、接收机的检验以及外业观测等[5]。

本工程GPS控制网采用静态观测方法，使用9台SOKKIA GSR2700ISX GPS接收机同步观测。首先根据GPS卫星星历预报制定GPS外业观测计划，进而进行作业调度。天线安置严格对中、整平，并使定向标志指向磁北。卫星高度角≥15°，同步观测接收机台数≥3台，有效观测卫星数≥4颗，平均重复设站次数≥2次，观测时段长度≥60 min。本网共观测8个时段，每时段观测时间均≥90 min。

4 GPS控制网数据处理

4.1 基线解算

基线向量解算和网平差采用Trimble公司的随机处理软件Trimble Geomatics Office（TGO）进行。基线解算时，通常采用广播星历，以同步观测时段为单位进行。定位的基准由卫星星历或基准站原有坐标给出。对于小于8 km的短基线必须采用双差相位观测值和双差固定解；对8～30 km长基线可在双差固定解和双差浮点解中选择最优结果。基线向量解算首先进行自动处理，若周跳较多或数据质量欠佳导致处理结果不理想，须进行基线的精化处理。

对外业观测数据即基线进行检核是确保GPS成果的重要环节，通常进行异步环闭合差、复测基线较差等检核。本工程基线解算后，异步环和重复基线精度统计如下[6]：

1）重复基线差值最大值为10.787 9 mm，允许值为28.457 7 mm。

2）异步环闭合差检验，共组成27个异步环，其精度如图2所示。