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南宁市轨道交通GPS框架网的测设及数据处理的不同解算方法分析

作者:李 冠,…    文章来源:2014测绘学    点击数:    更新时间:2015-1-15
摘要:本文以南宁市轨道交通框架网的建设为实例,利用两种不同的基线解算软件对框架网基线进行了解算,并进行了初步比较;然后利用不同的网平差软件进行平差解算,对利用不同解算方法的解算精度进行了比较分析。

概述

     南宁市轨道交通远景线网规划为:以中心城形成“一轴两带多中心”的发展格局为基础,按照“以邕江为轴线,西建东扩,完善江北,提升江南,重点向南”的发展方向,形成四主四辅八条线。其中骨干线4条,辅助线4条,轨道交通线网总长252.1km

目前南宁市轨道交通一号线已全面开工,二号线尚处于施工设计阶段。一、二号线地面施工控制网已经测量完毕,且一号线地面测量控制网已经过数次复测。但该控制网仅能满足一、二号线轨道交通建设的需要,为满足南宁市轨道交通规划线网建设,必须统筹规划,建立一个覆盖整个轨道交通线网规划区域、坐标系统统一的框架网系统,并以此为基础进行各条线路测量控制网的建立,保证各条线路的准确衔接。

因此,根据上述规划中的线路走向和覆盖范围,我们建立了用于南宁市轨道交通各条线路建设的GPS框架网,作为各条线路控制网建立的起算基准。

 框架网的布设情况

a) 布网考虑因素

为便于联测南宁市轨道交通各线路卫星定位控制网,GPS框架网必须覆盖轨道交通规划线网全部区域,并考虑线路的交叉换乘和远景发展,保证网形强度及精度。因此,GPS框架网布网需考虑的因素如下:

1GPS框架网分别位于轨道交通规划线路起终点及交叉换乘点附近,点位布设充分考虑线网情况,满足各条线GPS基本网布设需求。

2)在现有线网未涉及的区域适当布设控制点,方便城市远期发展的线路规划。

3)尽可能多地利用南宁市GNSS连续运行参考站点(NNCORS站点)及城市平面控制点(一、二等平面控制点及BCDGPS点)桩点,利用既有桩点数不少于5个,且均匀分布,并能控制全网,作为整个GPS框架网的起算点。

4)充分利用一、二号线线路施工控制网中能够满足框架GPS网点测量条件的点位。

5GPS框架网点位还需满足GPS控制点的一般要求:控制点周围视野开阔,对空通视良好,高度角大于10°之处无成片的遮挡物,远离大面积水面、高压线;控制点点位稳固,均以观测墩形式埋设,以便能长期保存

b) 网形布设

根据以上要求,结合南宁市轨道交通规划线网情况以及考虑机场线建设的可能性等长远发展,该网共设计GPS控制点32(5个作为起算控制点的CORS)。采用三角形网连式结构,GPS框架网布设具体形式如下图1所示。

 

南宁轨道交通GPS框架网示意图

 框架网的数据采集及数据处理

c) 数据采集

GPS框架网的外业观测投入3个作业组和9GPS接收机进行同步观测,共观测9个时段,时段长度为4小时,重复设站率为4.56,满足了相关规范中的要求。

d) 原始数据处理及基线解算

全网由81GPS独立基线构成,必要观测基线数为32,多余观测基线数为49。最大边长为40262.1143m,最小边长为6665.6602m,平均边长13189.9417m

外业原始数据由TEQC软件转换成RINEX标准格式,再进行基线解算。基线解算采用LGO软件进行,并利用GAMIT软件对算来进行检核。

基线处理结束后,对独立环闭合差和重复基线差进行了统计,重复基线差最大为16.6mm,满足了相关规范要求。结点数为3个的闭合环42个,结点数为4的闭合环2个、共44个闭合环,其统计数据如下:

独立闭合环闭合差统计表

项目

环长度/m

Wx/mm

Wy/mm

Wz/mm

W/mm

全长相对闭合差

最大

84181.993

46.07

47.06

42.32

60.16

1/498167

最小

23027.512

0.28

0.15

0.52

4.07

1/6066617

均值

38532.915

11.12

15.49

15.92

28.06

1/1970619

结合最小的独立环的计算闭合环的限差要求,全部的独立环坐标分量均满足小于47.60 mm,独立环全长闭合差小于82.45 mm的最强要求。

 数据处理及分析

e)起算基准数据选择分析

基线解算采用LGO软件进行,并利用GAMIT软件对算来进行检核。用LGO解算采用的是单基线解模式,而利用GAMIT则采用的是多基线解模式。在本项目中,利用了5CORS站点5天连续观测的原始文件(时段长度均为24小时)。

在利用GAMIT进行解算时,采用了IGSSHAO站(上海站)作为参考站进行基线解算。通过解算,得到了5CORS站之间的基线向量,首先与利用LGO解算得到的部分基线向量进行比较,见表2所示。

基线解算对比表

序号

起点

终点

DX/m

DY/m

DZ/m

基线长/m

解算方式

1

NACH

NALU

-31862.57682

-17973.30795

16815.87769

40262.10802

LGO

NACH

NALU

-31862.5606

-17973.3168

16815.8717

40262.0966

GAMIT

2

QITG

NALU

-3854.56129

14356.28577

-35226.74529

38234.59386

LGO

QITG

NALU

-3854.5646

14356.2923

-35226.7273

38234.5801

GAMIT

 

可以看,两种软件解算结果的分量差值均在20mm以内,这两条基线在框架网中属于较长基线,说明整个网的起算基准的可靠性比较高。

同时,利用GAMIT软件算出了5天的向量解的时间序列,如表3所示。

基线解时间序列表(5天)

序号

起点

终点

DX/m

DY/m

DZ/m

基线长/m

年积日

1

NACH

NALU

-31862.5606

-17973.3168

16815.8717

40262.0966

066

NACH

NALU

-31862.5621

-17973.3123

16815.8730

40262.0963

067

NACH

NALU

-31862.5614

-17973.3180

16815.8729

40262.0983

068

NACH

NALU

-31862.5609

-17973.3176

16815.8723

40262.0975

069

NACH

NALU

-31862.5625

-17973.3150

16815.8740

40262.0983

070

2

QITG

NALU

-3854.5646

14356.2923

-35226.7273

38234.5801

066

QITG

NALU

-3854.5643

14356.2971

-35226.7259

38234.5806

067

QITG

NALU

-3854.5644

14356.2916

-35226.7267

38234.5792

068

QITG

NALU

-3854.5647

14356.2954

-35226.7250

38234.5791

069

QITG

NALU

-3854.5689

14356.2985

-35226.7240

38234.5798

070

 

由表3可以看,这两条基线的基线解序列的分量较差值最大为6.2mm,说明这几个CORS站点的观测数据可靠性较高,整个起算基准框架的稳定性较高,可以适用于整个轨道交通框架网的起算工作。

 

在利用GAMIT进行基线解算的过程中,用验后标准化均方根值(post-fit nrms)来反映数据解算的质量,它是反映基线解算单天解的重要指标,若其值在0.2左右,则代表解算质量比较好。下表4列出了这5天数据解算的post-fit nrms项的值

4  post-fit nrms统计表

GPS年积日

066

067

068

069

070

Post-fit nrms

0.19247

0.19192

0.19435

0.18849

0.19029

由表4可以看出,这5天的post-fit nrms数值均在0.2左右,表明框架网的基线质量较高,可以用于下一步的平差计算工作。

f) 不同解算方式对精度的影响

GPS框架网的网平差采用了两种方式进行了对算:

1)利用平差软件进行三维无约束和CGCS2000框架下的三维约束平差计算,所得到的三维坐标成果采用坐标转换的方式转换为南宁地方坐标系下的二维坐标成果。

2)进行三维无约束平差和二维约束平差计算。

两种解算方式的解算精度如下表5所示。

解算精度对比表

项目

点位中误差

/mm

相对点位中误差

/mm

最大相对中误差

基线分量最大残差值

/mm

第一种方式

15.9

7.4

1 / 1024000

34

第二种方式

11.3

7.3

1 / 910000

32

由表5可以看出,直接进行二维无约束平差(即第二种方式)进行解算,一方面其相对精度要低于利用三维无约束和坐标转换(即第一种方式)的精度,这是由于在坐标框架由三维转向二维过程中的系统误差造成,与三维坐标系之间的转换相比,三维与二维坐标系之间的转换还要考虑到投影转换的系统误差,故而其精度要略低于前者;另一方面,表5中其他绝对精度指标基本一致,说明精度上并无绝对性的差异,基线长度对相对精度的影响较为显著,从而造成了相对精度上的差异。

同时,二维约束平差的绝对精度要略高于三维约束平差的精度,这是因为三维平差过程中的精度影响来源于坐标系的三个分量;而二维平差的精度影响来源仅来源于投影坐标系的两个分量,在各个分量的权基本一致的情况下,其绝对精度也会有所差异,但并不是决定性的影响。

g) 不同解算软件对精度的影响

解算过程中,分别采用了LGOCOSAGPSGPSNET3种软件进行网平差计算,解算精度如下表6所示。

6 不同解算软件结果精度对比

项目

点位中误差/mm

相对点位中误差/mm

最大相对中误差

LGO

21.3

7.4

1 / 1024000

COSAGPS

22.0

6.0

1 / 1037000

GPSNET

21.4

7.3

1 / 1083950

由表6可以看出,解算软件对解算精度的影响较小,因为各个软件对于GPS数据处理的方法和模型基本一致。同时,将三种方法解算出的坐标成果进行对比,如表8所示。

7 坐标分量最大互差表

分量最大互差(mm

LGO

COSAGPS

GPSNET

LGO

\

5.0

2.9

COSAGPS

5.0

\

2.1

GPSNET

2.9

2.1

\

由表7可以看出,虽然解算精度差异较小,但由于对条件数据的使用方式不同,使得平差的法方程矩阵会产生差异,继而使改正数的分配方式会出现差异,所以造成了平差结果的不一致。但表中的互差值要比相关行业规范中规定的限差值小,说明解算结果的差异对整个网数据的使用并无太大影响。

h) 不同参考框架下的成果比较分析

本框架网中的部分点是南宁市既有的等级GPS控制点,将本次的解算结果与这些点以往的成果进行了比较,比较结果如下表8、表9所示。

8 与城市控制点成果比较表

点名

ΔX(mm)

ΔY(mm)

NG01

21

0

NG24

8

5

NG25

8

6

NG27

7

1

 

9 与一、二号线既有控制点成果比较表

点名

X(m)

Y(m)

NG01

23

9

NG27

14

7

NG15

9

2

从表8中可以看出,一方面,框架网点坐标与城市控制点成果互差最大为21mm,基本可以实现与城市框架系统的有效衔接。另一方面,由于框架网和既有的城市控制网在构网方式、起算基准以及数据处理过程中存在一定的差异,这种差异造成了这些公共点之间的系统偏差,但最大偏差值在正常统计范围之内,这也进一步表明,框架网与既有城市控制网之间的相关性较强,成果具有较强的可移植性。

而从表9中可以看出,框架网点坐标与一、二号线控制点成果互差最大为23mm,可以作为轨道交通线路的起算基准使用,基本能实现南宁市各条待建地铁线路与既有线路的有效衔接。

 

 结束语

本文以南宁市GPS框架网为实例,探讨了框架网系统在城市轨道交通领域的应用前景。对具体的基线解算和网平差计算过程进行了各项指标分析,分别从解算方式、解算软件以及与其他参考框架衔接等方面分析了框架网系统的可靠性和精度指标。进一步说明了城市轨道交通框架网系统是具有高可靠性、高精度和高稳定性的系统,能作为线路控制网的起算基准而长期存在。

 

参考文献

[1] 管建安.《基于CORS系统精密定位服务的若干问题研究》(D.长安大学硕士学位论文,2010.11-12.

[2] 李强.《网络CORS建设及在城市道路测量中的应用》(D.中南大学硕士学位论文.2011.5-6.

[3] 王新洲等.《武汉市轨道交通一号线一期工程测量保障体系的研究与建立》(J.武汉大学学报信息科学版,2002,273:265-269.

[4] 刘经南,刘晖.《连续运行参考站网络-城市空间数据的基础设施》(J.武汉大学学报信息科学版,2003,628):259-264.

[5] T. A. Herring , R .W. King. GAMIT reference manual Release 10.3M. MIT. 2009.6.

Tags:大地测量学,GPS,框架网,城市轨道交通,解算  
责任编辑:gissky
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