深圳地鐵三號線GPS平面控制網(wǎng)建立及精度分析

1、深圳地鐵三號線GPS平面控制網(wǎng)建立及精度分析             摘要本文全面介紹了深圳地鐵三號線GPS平面控制網(wǎng)的布設(shè)方案,包括GPS控制網(wǎng)技術(shù)設(shè)計、外業(yè)觀測、基線向量解算、控制網(wǎng)平差及精度分析和可靠性檢驗等。同時對地鐵GPS平面控制網(wǎng)建立的有關(guān)問題提出一些建議。關(guān)鍵詞基線向量解算;網(wǎng)平差;精度分析;可靠性檢驗1 工程與測區(qū)概況   深圳地鐵三號線工程初期建設(shè)線路起自紅嶺中路站,止于龍興街站,沿線所經(jīng)區(qū)域有羅湖區(qū)的東門、水貝、布心片區(qū),龍崗區(qū)布吉鎮(zhèn)、

2、橫崗鎮(zhèn)、龍崗中心城及龍崗鎮(zhèn)。正線全長32.91km,其中地下線長692km,高架線長25.71km。全線共設(shè)21個車站和1個車輛段,其中紅嶺中路站至布心站6個車站為地下站,布吉聯(lián)檢站至龍興街站14個車站為高架站,塘坑站為半地下站。該項目全線位于特區(qū)內(nèi),特別是地下線部分紅嶺中路老街東門中路三站兩區(qū)從東門老街商業(yè)繁華地帶穿過,高樓林立、街道狹窄、交通繁忙、城市無線電干擾嚴重,給GPS測量帶來困難。2 GPS控制網(wǎng)設(shè)計2.1 布網(wǎng)原則   本項目GPS控制網(wǎng)根據(jù)地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范、城市測量規(guī)范以及全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程中相關(guān)技術(shù)要求布網(wǎng)。GPS網(wǎng)沿地鐵線路呈帶狀

3、分布,采用邊連接形式構(gòu)網(wǎng),由多個同步大地四邊形或三角網(wǎng)組成,網(wǎng)內(nèi)重合了4個城市二等控制點,并對包括重合點在內(nèi)的控制網(wǎng)進行長邊大地四邊形觀測,以便對整網(wǎng)進行長度基準控制。GPS控制網(wǎng)由非同步獨立觀測邊構(gòu)成閉合環(huán)或附合路線,每個閉合環(huán)或附合路線中的邊數(shù)不大于6條。2.2 選點與埋石   根據(jù)布網(wǎng)原則和現(xiàn)場實際情況,沿線路每隔2km左右布設(shè)一對相互通視的GPS點,為保證精密導(dǎo)線聯(lián)測需要每個GPS點至少與兩個相鄰GPS點通視,每對GPS點邊長8002000m。GPS點均選在利于保存、便于施測的建筑物頂面,點位視野開闊,遠離高壓輸電線和無線電發(fā)射裝置。2.3 主要技術(shù)指標 

4、  依據(jù)地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范的技術(shù)要求,本項目GPS控制網(wǎng)按GPSC級網(wǎng)施測。最弱點位中誤差不大于12mm,相鄰點相對點位中誤差不大于10mm,最弱邊相對中誤差不大于1/9萬,與原有控制點的坐標較差不大于50mm。3 外業(yè)觀測   GPS控制網(wǎng)采用6臺Trimble5700雙頻(標稱精度為±5mm+1ppm)接收機作業(yè)。GPS測量作業(yè)前,接收機在一般檢視和通電檢驗后,還進行了GPS接收機內(nèi)部噪聲水平測試和接收機天線平均相位中心穩(wěn)定性檢驗,并對基座光學對中器和卷尺進行檢校。根據(jù)編制的GPS衛(wèi)星可見性預(yù)報表及衛(wèi)星的幾何圖形強度(其PDOP值不應(yīng)大于

5、6),選擇最佳觀測時段。   觀測時按相對靜態(tài)定位模式進行觀測,每條邊觀測時段2,每個觀測時段長度90min,衛(wèi)星高度角15°,天線整平對中誤差1mm。每時段觀測前后各量取天線高一次,兩次量測值互差3mm,并取平均值作為最后天線高。   全網(wǎng)共聯(lián)測4個原有城市二等控制點(27望海嶺、32紅花頂、37求水坳、82深勘大廈)、1個城市三等控制點(526植物園)共5個重合點以及新布設(shè)的32個GPS點。觀測時除對GPS控制網(wǎng)內(nèi)短邊未知點進行構(gòu)網(wǎng)觀測,全線還選擇7個GPS控制點(GPS04、GPS06、GPS21、GPS23、GPS27、GPS30、GP

6、S32)和5個重合點構(gòu)成長邊圖形觀測,保證了GPS網(wǎng)的精度均勻及減少了尺度比的誤差影響。深圳市地鐵3號線GPS控制網(wǎng)聯(lián)測圖如圖1。4 基線向量解算4.1 基線向量解算   基線向量解算是利用二個或多個測站的GPS同步載波相位觀測值確定測站之間坐標差的過程。本項目采用Trimble隨機軟件TGO1·62按靜態(tài)相對定位模式解算,基線解算采用衛(wèi)星廣播星歷坐標作為基線解的起算數(shù)據(jù)。因測區(qū)處于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),城市無線電信號強烈,再加上太陽等天體輻射影響GPS信號通過電離層時,傳播路徑和傳播速度會發(fā)生變化,從而影響GPS衛(wèi)星至地面接收機之間的觀測距離,若不加以仔細改正,會嚴重損

7、害GPS觀測值精度。本項目在施測時利用多臺GPS雙頻接收機進行同步觀測,并在基線解算時通過高級參數(shù)設(shè)置,利用TGO電離層改正模型對大于4km的基線進行電離層改正。電離層改正模型考慮了折射率中的高階項以及地磁場的影響,并且沿著信號傳播路徑進行積分,通過基線解算精度比較,加入改正模型后的精度均優(yōu)于2mm,可顯著提高基線向量解算觀測值水平和垂直精度。4.2 基線向量質(zhì)量控制與精度分析   基線向量質(zhì)量控制是為了后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析提供合格的基線向量結(jié)果。對基線向量質(zhì)量可根據(jù)以下基線解算指標進行控制:4.2.1 相對指標   (1)單位權(quán)方差因子即參考因子;

8、0;  (2)觀測值的RMS即觀測值殘差的均方根,RMS值越小越好;   (3)數(shù)據(jù)刪除率,數(shù)據(jù)刪除率越高說明觀測值質(zhì)量越差;   (4)比率RATIO,它反映了所確定的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性,該值越大,可靠性越高,它主要與觀測時衛(wèi)星星座的數(shù)量和幾何分布圖形有關(guān);   (5)衛(wèi)星強度因子RDOP,它的值的大小與觀測時間段有關(guān)。以上五個指標均在一定程度上反映觀測值質(zhì)量的優(yōu)劣,但還無法判定基線解算質(zhì)量是否合格。4.2.2 半相對半絕對指標   同步環(huán)閉合差,從理論上講同步觀測基線間具有一定內(nèi)在聯(lián)系,閉合差三維

9、向量總和應(yīng)該為0。但在實踐中只要數(shù)學模型正確,數(shù)據(jù)處理無誤,即使觀測值質(zhì)量不好,同步環(huán)閉合差也有可能非常小。當同步環(huán)閉合差超限,則能說明閉合環(huán)中至少有一條基線向量有問題,但當閉合差不超限時也不能說明環(huán)中所有基線質(zhì)量均合格。         4.2.3 絕對質(zhì)量指標4.2.3.1 異步環(huán)閉合差   當異步環(huán)閉合差滿足限差要求,說明組成異步環(huán)的所有基線解算質(zhì)量均合格。深圳地鐵三號線GPS控制網(wǎng)基線向量異步環(huán)閉合差統(tǒng)計見表1?；€向量異步環(huán)閉合差限差為(為基線向量的弦長中誤差(mm),n=3),可見本

10、項目基線向量所有異步環(huán)閉合差均滿足限差要求。4.2.3.2 重復(fù)觀測基線較差指不同的觀測時段對同一條基線進行重復(fù)觀測的觀測值間的差異,當其滿足限差要求時說明基線向量解算是合格的,當不滿足時則說明至少有一個時段觀測的基線有問題,這條基線可通過多條復(fù)測基線來判定哪個時段的基線觀測值有問題。深圳地鐵三號線GPS控制網(wǎng)重復(fù)觀測基線較差統(tǒng)計見表2。   重復(fù)觀測基線向量較差限差為。以上統(tǒng)計表明:本項目所有重復(fù)觀測基線向量較差均滿足規(guī)范限差要求,即GPS控制網(wǎng)中所有基線向量解算均合格,基線解算成果可靠。   影響基線向量解算的因素很多,很復(fù)雜,對于基線向量解算質(zhì)量好

11、壞的判定比較簡單和實用的方法是條件允許時利用全站儀重復(fù)觀測基線,看能否滿足重復(fù)觀測基線較差的限差要求。5 控制網(wǎng)平差及精度分析   GPS控制網(wǎng)平差包括三維無約束平差和二維約束平差,平差數(shù)據(jù)采用基線向量的雙差固定解進行。網(wǎng)平差和坐標轉(zhuǎn)換均利用西南交通大學研制的XJGPS商用軟件,以27望海嶺的WGS-84系的三維坐標作為起算數(shù)據(jù),在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差,以檢定基線向量網(wǎng)自身的內(nèi)符合精度及其系統(tǒng)誤差和粗差。經(jīng)三維無約束平差計算,基線向量網(wǎng)中最弱邊相對中誤差為II37GPS31:1/611744;最大方位角中誤差為II37GPS31:0.31;最弱點點位中誤差

12、為37: 0.55cm。經(jīng)統(tǒng)計所有基線向量改正數(shù)的絕對值均滿足地下鐵道、輕軌交通工程測量規(guī)范中限差要求。三維無約束平差計算通過后,再以已知深圳城市控制點的城市平面直角坐標對基線網(wǎng)進行邊長和方位角約束平差,并將GPS平面控制點的WGS-84坐標轉(zhuǎn)換為深圳城市平面直角坐標,即得到GPS平面控制網(wǎng)中各點的坐標成果。經(jīng)二維約束平差計算,GPS控制網(wǎng)最弱邊相對中誤差為II37GPS31:1/3450874;最大方位角中誤差為II37GPS31:0.05;最弱點點位中誤差為GPS31:0.08cm。通過以上數(shù)據(jù)分析,全網(wǎng)共32個新設(shè)點,點位中誤差均小于限差±12mm精度要求,同時也滿足最弱邊相對

13、中誤差1/9萬的精度要求。6 已知點可靠性檢驗   在二維約束平差前要對已知點可靠性進行檢驗,以確保所采用的已知點的正確性。先以37求水坳、82深勘大廈為已知點進行二維約束平差,對其它已知點的坐標進行比較。已知點坐標與作未知點二維約束平差坐標間較差如表3。從表3中可看出已知點間具有較高的相對精度,滿足與原有控制點的坐標較差50mm限差要求。因此,采用27望海嶺、32紅花頂、37求水坳、82深勘大廈4個二等城市控制點對整個GPS平面控制網(wǎng)進行二維約束平差,保證了約束坐標的正確性和高精度。7 結(jié)束語   (1)地鐵GPS控制網(wǎng)應(yīng)采用邊連接形式構(gòu)網(wǎng),由多個同步

14、大地四邊形或三角網(wǎng)組成,并要對包括重合點在內(nèi)的控制網(wǎng)進行長邊大地四邊形觀測,以便對整網(wǎng)進行長度基準控制。   (2)GPS基線向量的解算非常重要。要加強基線解算質(zhì)量控制,嚴格用異步環(huán)閉合差和重復(fù)觀測基線較差兩個絕對質(zhì)量指標來判定基線解算質(zhì)量。   (3)影響基線解算質(zhì)量的原因較多,但最基本的是觀測條件,即觀測點位置和觀測時段。觀測點位置主要考慮多路徑效應(yīng)的影響及無線電干擾,選點時應(yīng)盡量避開高大建筑物、大面積水域及遠離高壓輸電線和無線電發(fā)射裝置;觀測時段主要根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報圖和衛(wèi)星星座相對測區(qū)的幾何分布,選擇最佳觀測時間。   (4)在城市中進行高精度GPS控制測量,為減小電離層對基線解算的影響,在施測時可利用多臺GPS雙頻接收機進行同步觀測,并在基線解算時利用TGO電離層改正模型對長基線進行電離層改正。通過本項目基線解算精度比較,加入改正模型后的精度均優(yōu)于2mm,可顯著提高觀測值基線向量解算精度。   (5)對高精度的GPS控制網(wǎng)重復(fù)基線觀測非常重要,控制網(wǎng)中骨干網(wǎng)點應(yīng)重復(fù)觀測,重復(fù)觀測次數(shù)2,通過多條重復(fù)觀測基線可直接判定基線解算質(zhì)量和整個基線向量網(wǎng)的好壞。   (6)在二維