GPS在地铁控制测量中的应用刘宝义

GPS在地铁控制测量中的应用刘宝义

刘宝义1孙宇超2

1.身份证号码：23102519861211XXXX黑龙江哈尔滨150000；

2.身份证号码：23230119870610XXXX黑龙江哈尔滨150000

摘要：伴随着经济的发展和进步，我国的地铁工程获得了迅速提升，全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）的应用技术已经遍及国民经济的各个领域，在测量领域，GPS系统已经广泛用于大地测量、工程测量、航空摄影测量等各个方面。近年来，城市地铁的建设也进入到一个黄金时期，建设规模的扩大和技术标准的提高也给地铁工程的测量工作提出了更高的要求。下面文章以某地铁GPS控制网复测及加密测量为例，简述GPS系统在地铁工程控制测量中的应用。

关键词：城市地铁；测量；GPS系统应用

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。本文以某地铁线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。

1GPS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。

GPS主要由空间卫星星座、地面监控站及用户设备三部分构成。（1）GPS空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面的倾角为55°，卫星的平均高度为20200km，运行周期为11h58min。（2）GPS地面监控站主要由分布在全球的一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。（3）GPS用户设备由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。

2GPS控制测量的重要性及精度要求

地铁是线性工程，为确保线路圆顺，施工中各环节工艺间施工容许偏差要求严，相邻点相对精度要求高，另外，为保证地下隧道在任何贯通面上正确贯通，隧道衬砌不侵入建筑限界，各种建筑物、设备及管线竣工形体尺寸和位置准确就位，必须进行精确的测量。而现有城市控制点无论数量和精度上都难以满足城市轨道交通建设需要，因此，必须独立布设平面控制网。地铁平面控制网分两级布设：一等为GPS控制网，二等为精密导线网。

地铁控制测量质量目标是：保证在任何贯通面上横向贯通中误差不超过±50mm，分配给地面控制测量的中误差大小为±25mm，为此，GPS控制网和精密导线控制网都被规定了相应的技术指标，GPS控制网主要技术指标如表1所示。此外，规范还对控制网重复设站率、接收机的标称精度、卫星高度角、数据采样间隔等指标进行了具体的规定。

表1地铁GPS控制网主要技术指标

3在地铁控制测量中的应用

3.1工程概况

某地铁的平面坐标系统是以某市城市控制点逐级加密而成的GPS三等控制网。在一条地铁线路开工之前，为了保证坐标系统得可靠性，需要对全线的GPS三等控制网进行复测。此外，由于GPS三等网的点间距离均在3km以上，为了满足地铁工程建设的需要，方便下一级的常规测量，有必要在GPS三等网的基础上，根据工程的特点在适当位置加密新的GPS控制点。本次就在某地铁四号线新造站至黄阁站段约22km范围内，增设了7个GPS控制点。

3.2测量技术应用

1）图形结构设计

本次GPS复测及加密测量，充分考虑原有GPS控制网的情况，参照原网并结合检测时的环境条件，采用边连接形式构网，由多个多边形、同步大地四边形或单三角形组成，构成覆盖全线的带状图形，并且闭合环中边数不多于6条。全网共由47个控制点组成。本控制网两端以及中部均有二等控制点控制，图形结构较强。以二等控制点作为骨架网进行加密布设，在本网薄弱点处，适当增加与已知点联系的骨架长基线，提高薄弱点的精度。根据原有GPS点的情况，选择距离线路较近的7个GPS控制点，在距离其约1km处加密新的GPS点，形成控制边。再在已知点较稀疏的部位增加个别GPS加密点，以控制导线的长度，满足规范的要求。

2）GPS控制网数据处理

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TrimbleGeomaticsOffice（TGO）进行。基线向量解算首先进行自动处理，若处理结果不理想，则进行基线的精化。解算后，三边同步环、六边独立闭合环和复测基线精度统计如下：（1）三边同步环闭合差最大值为0.96ppm，其允许值为1.01ppm（该环线长为44833m）；（2）六边独立闭合环闭合差最大值为0.90ppm，其允许值为9.81ppm（该环线长为17201m）；（3）复测基线中长度较差最大值为21.2mm，其允许值为251.5mm（该基线边长为17675m）。

2.网平差计算

（1）GPS控制网在WGS－84坐标系统下的三维无约束平差GPS在WGS－84坐标系统下进行三维无约束平差，进而检验GPS网的内符合精度。平差后，基线最大方位改正数为0.06″，椭球高差改正数最大为0.0091m，最大距离改正数为0.0019m，最大点位误差优于3mm。（2）GPS控制网在北京地方坐标系下的二维约束平差采用坐标轮换法对已知控制点进行数据兼容性检查，即以不同的起算点组合为约束条件进行平差，从中筛选出系统一致的点组合作为GPS网的参考基准。

3.在WGS-84坐标系中三维无约束平差

GPS三维无约束平差，采用WGS84坐标系，以“英本岗”的单点定位解为起算数据。对于平面控制测量而言，不需要GPS测量的大地高信息，因此，三维无约束平差的目的主要是进一步检查所选基线向量的质量，评价GPS控制网的内符合精度与外业观测质量。一般可通过基线向量三个分量的改正数的大小来衡量最弱点的点位中误差，最弱边的相对精度以及验后单位权中误差均是衡量基线解算值质量的指标，但最弱点点位中误差与起算点的位置密切相关。复测网精选了93条基线作三维无约束平差，最弱点为ⅣJ38，其点位中误差25.2mm；最弱边的边长精度和边长相对精度分别为5mm和1∶87000，为ⅣJ42-A到“黄阁”的基线边，但该边的边长仅455.836m；次弱边的边长精度和边长相对精度分别为3mm和1∶134000，为“仑头”到“仑头村”的基线边，但该边的边长仅403.465m。根据无约束平差结果可见，该网的总体精度是较好的，内符合精度很高。

综上所述，GPS测量技术已广泛应用于地铁平面控制网测量中，且日趋成熟，其具有常规测量技术不可比拟的技术优势：速度快、精度高、不要求通视等，且多年实践表明，GPS控制网完全可满足地铁工程的测量需要，但随着城市地下工程日益增多，地铁设计向着多功能化、复杂化发展，促使测量技术的不断提高及相应技术标准的不断完善。

参考文献：

[1]徐永毅.基于GPS的地铁线路控制测量技术探索[J].现代物业（上旬刊），2014，13（01）：70-71.