北京市地铁八号线三期首级GPS控制网的建立及精度分析

2016-01-12李森

全球定位系统 2015年5期

关键词：精度分析稳定性分析

李森

(北京市测绘设计研究院,北京 100038)

摘要：介绍了北京市地铁八号线三期首级GPS平面控制网的布设,以及后期的外业观测、基线向量解算和控制网平差,并对整个GPS控制网精度进行分析评定,对施测及数据处理进行经验总结。

关键词：控制网布设;稳定性分析;基线解算;网平差;精度分析

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.019

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0099-04

收稿日期：2015-03-25

作者简介

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

城市地铁控制网是城市地铁工程施工测量的基准,控制网的精度直接影响地铁隧道的安全及质量。地铁控制网基本布设城市中心,人口及车辆较多,施工周期长,且施工区域条件复杂多变,为了保证工程安全顺利的实施,需要前期首级控制网的布设方案合理,施测方法正确,以及点位精度的可靠[1-3]。

工程概况:北京市地铁8号线三期线路起于二期终点王府井北站,南至五福堂站,长约17.3 km,共设置车站14座,其中8座为换乘站。地铁总体呈南北走向,经过著名的王府井商业街、长安街、前门东大街、前门、天桥商场、永定门城楼、木樨园等,是北京市南北中轴线上的快速轨道交通走廊。由于控制路线布设沿地铁线路量测,呈南北条状,经过繁华市区的主干道,车流量大、过往行人多,给现场测量带来很多困难。

1GPS平面控制网的布设

北京市地铁八号线三期首级GPS平面控制网的坐标系统采用北京市地方坐标系统,为保证GPS网具有较高的内符合精度,首级GPS平面控制网在北京市GPS C级网框架下布设。该网沿地铁线路按边连式布设构成GPS网。考虑GPS网的图形强度,全网共选点33个,包括北京市C级GPS点5个,新选GPS控制点18个,已有其它地铁首级GPS控制点10个。控制点点位分布如图1所示。

2GPS已知点稳定性分析

为了保证全网平差基准的一致性,避免网型的扭曲,在进行GPS控制网网平差前,必须对已知平面起算数据的稳定性和兼容性进行分析[4-6]。在北京市地铁8号线三期首级GPS控制网中,对使用的5个已知点进行可靠性检验,采用空点法对已知点进行检验。为对已知起算点进行全面合理的检验,在网平差前设计三个检验方案。方案一:选取YZD4、YZD1、YZD5三个点作为已知点,YZD2、YZD3作为待定点进行约束平差。方案二:以YZD2、YZD3作为已知点,YZD4、YZD1、YZD5作为待定点进行约束平差。方案三:以YZD2、YZD4、YZD5作为已知点,YZD3、YZD1作为待定点进行约束平差。

由表1可知,根据设计的三种方案,对5个已知起算点进行稳定性和可靠性检验,三种方案的点位误差均为毫米级,最大点位误差0.24 mm,最小点位误差0.10 mm;与已知坐标值较差中最大值26.5 mm,最小值5.8 mm;最短边相对误差小于1/45万。结果表明:选取的5个已知起算点稳定性和兼容性较好,可以作为本工程的起算数据使用。

联系人：李森 E-mail: lisen@bism.cn

图1　北京市地铁八号线三期GPS控制网

精度方案点号X方向误差/mmY方向误差/mm点位误差/mm点位较差/mm最短边相对误差方案一YZD3YZD20.150.180.130.160.200.2414.610.91/79万方案二YZD4YZD5YZD10.100.100.100.100.100.100.100.200.105.817.226.51/45万方案三YZD3YZD10.200.200.100.200.200.2013.417.81/65万

3GPS控制网的施测

为提高测量精度,保证测量精度的统一性,为提高整网精度,采用网联式进行外业观测,为避免GPS接收机系统误差的累计,保证外业观测数据的可靠性,要求重复设站率>=2,每一观测点位重复设站时必须使用不同的GPS接收机[7]。采用8台SOKKIA GSR2700ISX 型双频接收机进行同步静态观测,仪器标称水平精度3 mm+0.5 ppm,垂直精度10.0 mm+1 ppm,共观测13个时段。

控制测量作业前,对GPS接收机和天线设备进行全面检验,经检定接收机各项指标均达到正常水平方可进行测量。按GPS外业测量的相关规定逐项填写外业观测手薄。

4GPS网的基线解算与网平差

1) 数据预处理

平差前对观测数据进行预处理,对每一个测站观测数据利用TEQC软件进行质量检查,检查内容包括:测站开始时间、结束时间、观测时间、采样间隔、有效利用率、多路径效应和周跳比等。所有测站的数据有效利用率中最小81%最大100%,满足规范要求(规范要求≥80%)。表3为每个时段测站观测数据利用率的最大最小值。

表2　每时段测站数据利用率统计表

2) 基线解算

基线解算采用Trimble 公司的GPS精密静态数据处理软件TBC(Trimble Business Center)。对周跳较多或数据质量较差的时段进行删除或用分段处理方法进行基线解算[8-9]。全部基线解算结果中:最大PDOP值均小于6,解算类型均为固定解,RMS均小于0.03 m.

3) 网平差

采用武汉大学测绘学院的“地面测量工程控制测量数据处理通用软件包(Version6.0)”进行平差计算,平差前对已知点进行可靠性检验,参与平差的独立基线必须为合格基线,将全部独立基线构成闭合图形,以三维基线向量及其相应方差协方差阵作为观测信息,以YZD3的WGS-84坐标系的三维坐标作为起算数据,在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差,并提供WGS-84的三维坐标、坐标差观测值的总改正数、基线边长及点位和边长的精度信息。如出现环闭合差超限的情况,采用重复基线重新计算,在所有闭合环符合要求后方能进行下一步平差计算。平差后基线向量改正数的绝对值应满足规范要求限差。

选用测区内C级GPS已知点进行二维约束平差,由于CosaGPS同步环闭合差限差未采用现行规范要求,所以全部异步环闭合差限差按照新规范进行手工计算,所有异步环闭合差满足设计要求。

5精度分析

选取95条合格的独立基线,构成49个异步环,表3为所有异步环闭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异步环闭合差)。在进行三维平差和二维平差后得到各点的点位中误差,图2示出了三维平差后各点的点位中误差,其中最弱点位中误差为1.64 cm,图3示出了二维平差后点的点位中误差,其中最弱点位中误差为0.43 cm.GPS最弱边相对中误差为1/201000(设计要求1/100000);最弱点的点位中误差为0.59cm(设计要求≤1.2 cm);相邻点相对点位中误差最大值为4.9 mm(设计要求≤10 mm)。