GPS定位技术在铁路长大隧道测量中的应用

GPS 定位技术在铁路长大隧道测量中的应用

收稿日期:2011 01 30

作者简介:李 超(1984 ),男,助理工程师,中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院,山西太原 030013

李 超

摘 要:根据在某山区铁路长大隧道利用G PS 定位技术建立精密工程控制网的作业过程,分析了影响其精度的关键因素,并提出了解决的途径,从而使长大隧道测量满足规范要求。

关键词:GPS 定位技术,控制网,数据处理中图分类号:U 456.3

文献标识码:A

0 引言

在铁路长大隧道控制网测量过程中,传统测量方法(三角测量方法、精密导线法)受到通视条件、图形条件、地形条件等诸多因素的影响,所以控制网在选点布网及观测等诸多过程中受到,在山区复杂的环境中其作业难度不难想象。GPS 定位技术观测不受通视条件,定位精度高,作业时间短,目前已在铁路长大隧道控制测量中普遍采用。

1 GPS 控制网的布设

1)GPS 测量控制网的前期准备工作包括:提出项目、技术设计、搜集整理测绘资料、检验仪器、踏勘及选点埋石。

分析得出)。

表2 求比例系数k

各点到重心边长坐标反算边长

当地坐标系/m 1954北京坐标系/m

长度比例系数 1~重心3341.8783341.1

1.0000039 2~重心4834.9414834.9761.0000073

3~重心8257.0338257.0160.9999979 4~重心2673.7022673.7101.0000031 5~重心6260.4946260.5321.0000062 6~重心5463.325

5463.3

1.0000072平均值k

1.0000055

2)根据式(3)求出坐标系统间长度缩放比例系数k 。

由表2可以看出,仅 3求出的长度比例系数小于1,说明该点本身精度不高,求解各系数时可将该点去掉。

3)根据式(4)求出两坐标系统间旋转角度 ,见表3。

表3 求旋转角度

点号点至重心的坐标方位角/rad 当地坐标系1954北京坐标系方位角较差

(旋转角度)/rad 12.81035322.81370880.0033579 2-0.265-0.556820.0033558 3 40.630380.6340061

0.0033602 51.59499871.59835690.0033583 6

-1.91796

-1.9142912

0.0033599平均旋转角度

0.0033586

4)将前面解求出的常数A,B,X,Y,k, 代入式(1)即求得两坐标系间的转换公式。

现利用表3的已知成果,将当地坐标转换成1954北京坐标,

来验证转换关系式的正确性,结果见表4。从表4中统计结果可以

看出,除去点 3外,利用转换公式求出的坐标与理论坐标值较差均较小,平均值为0,说明拟合解求出的坐标关系式正确可靠。

表4 转换关系正确性验证

点号

1954北京坐标利用转换公式求出的

1954北京坐标坐标

较差/mm 纵坐标X

横坐标Y

纵坐标X

横坐标Y X Y 12321623.2714497.2282321623.2624497.220-9-8 22327809.3514416.9942327809.34417.001-57 32326015.558437255.8792326015.560437255.8162-63 42326941.230447004.8492326941.241447004.84511-4 52324614.604451679.1592324614.602451679.155-2-4 62322947.175440276.7912322947.179440276.799

48平均值

4 结语

通过实践检验,笔者所提供的利用坐标重心求解坐标转换关

系式的新方法,算法新颖,准确可靠,在计算过程中能对粗差进行识别并剔除,从而拟合求出最佳的坐标转换关系式。该公式能广泛的用于各种工程测量的坐标转换,同时也可用于GPS 控制测量中已知点的精度分析(将已知点在W GS84坐标与当地坐标进行求解分析)。

参考文献:

[1] 孔祥元,郭际明,刘宗泉.大地测量学基础[M ].武汉:武汉大学出版社,2001.

[2] 孙志营.施工测量中的坐标换算[J].山西建筑,2010,36

(16):357 358.

A ne w m ethod for solvi ng coordi nate

conversion relati on for mul a w ith barycentric coordi nates

T I AN H ong p i n g

Abstrac t :Th i s paper proposes a si m p l e and new coordina te conve rs i on re lati on for m ula that i s to fi nd the barycentr i c coord i nate of t he l a ttice i n d ifferen t coo rd i nate ,and the coordi nate conversi on relati on for m ula can be so l ved t hrough study i ng t he space re l a tionsh i p bet w een barycentr ic co o rdina te and eve ry lattice .Comb i n i ng w ith practica l case ,it testifies the re liability and practicality of t h is m et hod .K ey word s :GP S m easurem ent ,coo rd i nate ,bary centr i c coordi nate ,ang le o f rota ti on ,sca ling ra ti o

!

198!第37卷第15期2011年5月

山

西建筑S HANX I ARCH I TECTURE

Vo.l 37No

.15M ay . 2011

一般铁路隧道工程G PS 控制网等级按照铁路工程测量规范要求选定,主要与隧道长度有关,选点时要保证GPS 点位之间至少要两两通视,便于相互检核,利用施工引测和放样复核。施工现场附近GPS 点位不少于3个。

2)星历预报的重要性。在山区进行GPS 作业,由于山坡、石壁、树林的遮挡非常严重,导致可观测卫星较少,卫星几何图形不够理想,视场偏小,部分卫星的整周模糊度难以确定,精度偏低。用一般的方法进行星历预报,有时预报可见6颗卫星,但实际上只能有效观测到4颗甚至3颗卫星。

在选择最佳观测时段时,需要高等级PDOP ∀6衡量,已获得最佳观测结果。

3)山区铁路长大隧道呈狭长带状,一般采用三角网与环形网结合传递的方式,构成带状控制网。

网型边长应分布均匀,选择良好的观测时段。最佳观测时段长度不仅与测边长度、测量精度等级有关,而且与点位周围观测条件有关。当点位周围障碍物多,遮挡严重,视场较为狭小时,需要在TB 10101 2009铁路工程测量规范里规定时段长度基础上再增加10m i n~30m i n 。注意上述时段长度是指基线解算时实际所用的时段长度,在外业观测时还应留有余地(例如增加5m i n ~15m in)。

2 GPS 数据处理

1)从接收机导出G PS 原始数据后,应检查项目包括站名、点号、测站坐标及天线高度,其目的是避免外业误操作。2)基线向量的解算,设定基线解算的控制参数。基线解算的控制参数用以确定数据处理软件采用何种处理方法进行基线解算,是非常重要的环节,通过参数的设定,解算软件可以实现基线的精化处理。

参数选取方法应参照TB 10101 2009铁路工程测量规范中的要求设定。

3)直接用数据处理软件进行初步的基线解算。

4)基线需要通过每一条基线的检验和基线与基线间的分析检验,才能进行网平差。具体为模糊度的可靠性指标RAT I O,基线解算时待定参数的协因数阵的迹的平方根RDO P 值,均方根误差R M S ,残差分析。以上精度指标必须全部通过。基线间的分析检验,通过同步环检核,环检核,重复基线检验方式来确保基线的质量精度。

5)同一时段观测值的数据剔除率不宜大于10%。

6)同步环闭合差、环闭合差、重复观测基线长度较差应满足表1。

3 基线向量网平差

1)提取基线向量,构建GPS 基线向量网。遵循原则:选取质量较好,边长较短且相互的基线向量。

2)所选取的基线应构成闭合的几何图形,且图形边数较少。

4 三维无约束平差

三维无约束平差:

1)检查网本身的内符合精度、基线之间有无明显系统差和粗差。

2)调整各基线向量观测值的权,使得它们相互匹配。

表1 检验项目限差要求

检验项目限差要求

X 坐标分量闭合差Y 坐标分量闭合差Z 坐标分量闭合差环线全长闭合差同步环W x ∀

n 5

W y ∀

n 5

W z ∀

n 5

W ∀

3n 5

环W x ∀3n W y ∀3n W z ∀3n

W ∀33n

重复观测基线长度较差

d s ∀22

注:1) 为相应等级规定的基线长度中误差,n 为闭合环边数。2)当环由长短

悬殊的边组成时,宜按边长和等级规定的精度计算每条边的 ,并计算环闭合差的精度,以代替表中的n 计算环闭合差的限差

5 二维约束平差

1)建立或选择参考椭球、输入其与W G S84椭球的转换参数(7参数或3参数),然后选择或建立投影方式和投影度带,再选择大地水准面模型或输入高程异常拟合方程的参数。

2)指定起算数据(约束条件):GPS 基线向量观测值和地面常规测量观测值(边长、方位、高差),检验约束条件质量,然后进行平差计算。

3)进行质量分析与控制:G PS 控制网平差后的精度指标应满足铁道部现行的TB 10101 2009铁路工程测量规范,其中各等级的卫星定位控制网主要有关规定见表2。

表2 各等级的卫星定位控制网有关规定

等级固定误差a /mm 比例误差系数b mm /k m 基线方位角中误差/(#)约束点间的边长相对中误差约束平差后最弱

边边长相对中误差一等∀5∀10.91/5000001/250000二等∀5∀11.31/2500001/18000三等∀5∀11.71/180001/100000四等∀5∀22.01/1000001/70000五等

∀10

∀2

3.0

1/70000

1/40000

注:当基线长度短于500m 时,一、二、三等边长中误差应小于5m m,四等边长中误差应小于7.5mm ,五等边长中误差应小于10mm

6 进行技术总结与提交资料成果

其规定内容参见铁道部2009年颁布的TB 10101 2009铁路工程测量规范。

7 结语

以上是根据本人所在单位建立的一些山区铁路隧道G PS 精密工程控制网的作业实例,总结出在山区进行G PS 控制测量的完整作业程序及注意事项,并提出了解决方案。当然,还有不够完善的地方,有待于在今后的工作中继续努力,不断提高。

参考文献:

[1] 耿修明.测量技术在八十一大坂超长隧洞中的应用[J].山

西建筑,2010,36(3):359 360.

On application of GPS location techni que in l ong and large tunnelm easure m ent i n rail w ays

L I Chao

Abstrac t :A ccordi ng to the w ork i ng process o f estab li sh i ng accu rate eng i neering contro lli ng net wo rk i n the l ong and l arge t unne l of ra il w ay i n

so m e moun tai nous areas by usi ng GP S locati on techn i que ,the paper ana l y zes t he key e le m ents wh i ch i n fluence its accuracy ,and po i nts out the channe ls for the so l uti ons ,so as to m ee t the regu l a r requ irement f o r the m easurement o f the l ong and large tunne.l K ey word s :GP S locati on techn i que ,contro lli ng net wo rk ,data trea t m ent

!

199! 第37卷第15期

2011年5月

李 超:GPS 定位技术在铁路长大隧道测量中的应用