CN114858143A - 基于gnss静态ppp的地铁站间平面控制基准传递装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置及方法，用于配合激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪。本发明的优势在于可以避免远距离引测国家等级控制点平面基准产生的误差和生产成本，可灵活用于地铁隧道施工阶段的平面联系测量中，在保证高精度定向的同时也摒弃了传统定向方式组织复杂，开凿竖井联测地面控制点成本高，安全性低等缺点，尤其是针对长距离地铁站间横向贯通误差积累可进行预先调整，以确保地铁隧道顺利贯通。

Description

基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置及方法
技术领域
本发明属于结构测量领域，尤其是针对较长站间距离地铁隧道，提出一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置及方法。
背景技术
为了正确完成施工放样，随着开挖的延伸需要根据设计方案不断的给出隧道的掘进方向，施工期间需要进行洞内控制测量。一般是在洞外控制测量和洞内、外联系测量的基础上开展洞内高程控制测量和平面控制测量。在地铁运营期间，需要对地铁隧道进行周期性结构安全监测，通过获取隧道内监测点位的竖向位移和水平位移，以此来协助判定运营期地铁隧道内部结构的稳定性和安全性。传统模式下，无论是施工期还是运营期，高程控制布设水准网并采用水准测量的方式进行，其精度能够得到有效保证。而平面控制测量主要通过在隧道内布设导线控制网联测洞外国家等级控制点的方式来进行平面基准传递，随着导线延长，由起始方位角误差引起的导线各点点位误差越大，对于双向施工贯通的地铁隧道，相邻站点中间位置即为洞内平面控制导线网最弱边和最弱点所在区域，也是横向贯通误差积累最大的区域，尤其针对相邻站间距离较长的地铁隧道，传统测量仪器使用时因地铁隧道施工环境恶劣造成较差的通视条件，导致测量精度低，且因地下隧道为不稳定载体，距离较长时隧道内布设的导线控制点稳定性直接导致横向贯通误差累积增大，进一步影响施工安全和施工进度。尽管传统平面联系测量方法在某种程度上可以控制横向误差积累，但常用的平面联系测量方法工作组织复杂，联测地面控制点成本高，测量精度较低，不利于快捷高效的保证长距离地铁隧道横向贯通工作及运营期隧道结构安全监测的顺利开展。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置及方法。
本发明的技术方案提供一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，用于配合激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪；设置太阳能电池板，向有源器件提供电能。
而且，GNSS接收机配备扼流圈天线，控制多路径效应影响；控制模块基于GNSS接收机提供的观测数据，通过PPP解算得到地面控制点平面坐标，然后使用激光自动安平垂准仪通过连通地面与地铁隧道的激光传递井筒，按预设的旋转角度间隔多次向地铁隧道内投射激光，将投射到隧道内激光接收靶上的点两两对角连线，所得交点为传递后的水平基准点，其水平坐标作为地铁隧道施工期间定向和运营期变形监测的平面控制基准。
另一方面，本发明提供一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递方法，设置基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，以及激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，地铁站间平面控制基准传递装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪；GNSS接收机配备扼流圈天线，控制多路径效应影响；控制模块基于GNSS接收机提供的观测数据，通过PPP解算得到地面控制点平面坐标，然后使用激光自动安平垂准仪通过连通地面与地铁隧道的激光传递井筒，按预设的旋转角度间隔多次向地铁隧道内投射激光，将投射到隧道内激光接收靶上的点两两对角连线，所得交点为传递后的水平基准点，其水平坐标作为地铁隧道施工期间定向和运营期变形监测的平面控制基准。
而且，实现过程包括以下步骤，
步骤1，进行平面联系测量前，分别在各地面控制点上安置地铁站间平面控制基准传递装置，配合提前设置的相应激光传递井筒作为辅助；启动并连续运行GNSS接收机获取卫星观测数据，进行地面控制点坐标解算，得到的控制点平面坐标记为(X0、Y0)；
步骤2，施工期间作为平面联系测量使用时进行坐标系统一，将地面控制点坐标转换到地铁隧道内的平面控制系统中，转换后坐标记为(X1、Y1)；
步骤3，在地面的地铁站间平面控制基准传递装置竖向对应的地铁隧道内安置激光自动安平垂准仪的激光接收靶，通过激光传递井筒，按照预设的旋转角度间隔，多次将激光投射至激光接收靶上，并做投射点标记，两两对角连线得到的交点即为由地面传递至地铁隧道内的平面控制基准点，其平面坐标同样为(X1、Y1)；
步骤4，在步骤3所述的平面控制基准点上架设全站仪，根据平面控制基准点坐标(X1、Y1)和隧道内掘进方向平面控制测量所布设的导线控制点坐标(Xq1、Yq1)进行反算，求得两控制点间的距离Sq1和方位角αq1，并以此重新进行平面定向，实现达到平面联系测量。
而且，通过反算平面控制基准点坐标(X1、Y1)和隧道掘进反向平面控制测量导线控制点坐标(Xh1、Yh1)求得两点间的距离Sh1和方位角αh1，与实测距离Sh1′和方位角αh1′比较，判定前期测设横向误差的累积程度，以及时进行施工线形调整。
而且，在运营期进行地铁隧道结构水平位移监测时，根据监测方案需要，选用不同区域的地面控制点作为平面控制基准点，并解算此时的控制点平面坐标(Xb0、Yb0)，与地铁隧道竣工后所测该控制点平面坐标(Xj、Yj)的差值(ΔX，ΔY)作为平面控制基准的偏移值；进行平面控制基准传递时，依次按照步骤2、步骤3中平面控制基准传递方式将地面控制点平面坐标传递到地铁隧道内，并以两两对角连线得到的交点作为隧道内结构水平位移监测的基准点，提供横向基准。
另一方面，本发明提供一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递系统，用于将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，系统包括地铁站间平面控制基准传递装置、激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，地铁站间平面控制基准传递装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、保证GNSS接收机静态PPP观测时段足够长、观测卫星数量足够多的情况下，平面位置精度可以达到亚毫米级，避免远距离引测控制点。
2、相较于传统平面联系测量，一方面能更快捷高效并准确的完成重新定向和前期平面控制横向误差校核，另一方面也投入更少的人力和物力。
3、针对运营期地铁隧道结构横向位移监测，提供绝对水平基准。
4、地面装置安装太阳能光板供能和盒装电池配合使用，以确保GNSS接收机连续运行。
5、GNSS平面控制基准传递装置布设于地铁站间开阔区域，接收机配备扼流圈天线，最大程度减小城市建筑及其他已有设施造成的多路径影响。
6、与激光自动安平垂准仪结合，避免了传统平面联系测量方式使用钢丝和重锤线造成的繁琐工作量，也能保证水平基准传递精度。
7、装置地面部分为可拆装组合结构，便于灵活运用和运输。地面装置拆卸后，井筒由配置的专用井盖保护，同时也不影响城市景观。
附图说明
图1为本发明实施例方法流程图。
图2为本发明实施例装置图。
其中：
1-GNSS接收机
2-扼流圈天线
3-可伸缩接收机固定杆
4-太阳能电池板
5-基座及控制模块
6-激光自动安平垂准仪
7-脚架
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明考虑到长距离地铁隧道施工时横向误差累积影响贯通，提出在最弱点处进行平面基准传递，以静态PPP的方式获取地面控制点平面坐标，既保证所传递的平面控制基准的精度，同时也避免了传统平面联系测量模式下需要远距离联测国家控制点所造成的时间和人力成本。
并且，提出通过控制模块组合GNSS接收机和激光自动安平垂准仪，充分发挥GNSS静态PPP解算得到高精度平面位置的优势，同时也能通过激光投点的方式进行平面位置基准的实时传输。具体实施时，GNSS接收机、激光自动安平垂准仪、控制模块可分别采用现有产品，例如控制模块可以基于市场售卖的中央处理器芯片实现。
本发明针对较长站间距离地铁隧道及不利于传统外部基准引测的情况下，基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置中的GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪为主要设施，通过激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶配合使用。
这种平面控制基准传递装置，无需与国家等级控制点联测，同时也无需具备通视条件。
激光自动安平垂准仪和激光传递井筒及接收靶可以实时准确将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，其精度能够满足地铁隧道贯通平面联系测量定向工作要求。
通过设置激光传递井筒(直径最多只需几十厘米)，无需构建竖井(直径通常几米)即可完成平面控制基准传递，极大程度减少开凿竖井产生的工作量。激光传递井筒更便于保留应用到运营期地铁隧道变形监测工作中。
太阳能电池板，与外接电源联合使用，向有源器件提供电能，以便保证满足GNSS接收机和激光自动安平垂准仪连续运行电能需求。
激光自动安平垂准仪，通过调节投射镜头旋转角度，并对激光接收靶上投射激光点进行两两对角连线，并确定所有连线最终交点为传递后的平面控制点，保证平面控制基准传递精度。
如图2所示为本发明实施例基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，其中主要装置包括：GNSS接收机1、扼流圈天线2、可伸缩接收机固定杆3、太阳能电池板4、基座及控制模块5、激光自动安平垂准仪6和脚架7。GNSS接收机1设定观测卫星数、观测时长等相关参数获取卫星观测数据，将数据传输至控制模块进行静态PPP解算得到设站处国际地球参考框架ITRF下的控制点平面坐标(X0、Y0)并与地铁隧道内的平面控制系统进行坐标转换，转换为施工坐标系下平面坐标(X1、Y1)，随后由控制模块启动激光自动安平垂准仪6并根据实际精度需求设置激光点投射间隔，向隧道洞内投射激光点至隧道内预先安置的激光接收靶上。
一般GNSS接收机需要基座支撑，控制模块可内置于基座内。具体实施时，可将控制模块集成设置在基座中，基座由脚架支撑，激光自动安平垂准仪设置在基座下方，基座周围设置太阳能电池板，基座上方在可伸缩接收机固定杆顶部设置GNSS接收机和扼流圈天线。扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪。太阳能电池板的输出向地铁站间平面控制基准传递装置中的有源部件供电。
具体实施时，外部结构可采用太阳能电池板和外接电源补给的方式联合供能，确保GNSS接收机和激光自动安平垂准仪连续运行。GNSS接收机配备扼流圈天线，可控制多路径效应影响。GNSS接收机提供足够时长和足够卫星数的观测数据，通过PPP技术解算得到毫米级甚至亚毫米级的地面控制点平面坐标，使用激光自动安平垂准仪通过连通地面与地铁隧道的激光传递井筒，按一定的旋转角度间隔(以90°间隔为例)分四次向地铁隧道内投射激光，在隧道内激光靶上进行两两对角连线，所得交点即为传递后的水平基准点，其水平坐标即可作为地铁隧道施工期间定向和运营期变形监测的平面控制基准。
参见图1，本发明实施例相应提供一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递方法，具体包括以下步骤：
步骤1，地铁隧道施工期间，根据横向贯通误差要求以及施工进度，在需要进行平面联系测量的地面开阔区域布设控制点作为基准点，尤其是在接近隧道贯通面时应加密地面控制点布设。进行平面联系测量前，分别在这些地面控制点上安置地铁站间平面控制基准传递装置，配合提前设置的相应激光传递井筒作为辅助。按照城市轨道交通控制网设计精度等级要求，启动并连续运行GNSS接收机获取一定观测时长的卫星观测数据，联合IGS等组织提供的精密星历进行地面控制点坐标解算，得到国际地球参考框架ITRF下的控制点平面坐标(X0、Y0)。
地面部分设置的地铁站间平面控制基准传递装置可以灵活拆装，不用长期固定于控制点上作业。平面控制基准传递井筒为竖向圆柱形筒体，与地面垂直并贯通地面与地铁内部空间。为保证施工期间布设的地面控制点在运营期间可持续运用，在无需控制测量时，可以设置安装保护盖遮挡平面控制基准传递井筒，防止雨水和异物进入，并于保护盖顶部刻画控制点标志，便于后期使用时识别。特殊的是，地铁站间平面控制基准传递装置中的太阳能电池板部分，如果有条件可以长期在控制点附近设置，那么就不需要携带；如果太阳能电池板部分体积够小，也可以在地铁站间平面控制基准传递装置中集成携带。具体实施时根据情况而定。
步骤2，施工期间作为平面联系测量使用时应进行坐标系统一，即根据地铁隧道施工设计文件要求，将地面控制点坐标转换到地铁隧道内的平面控制系统中，转换后坐标为(X1、Y1)。
步骤3，在地面基准传递装置竖向对应的地铁隧道内安置垂准仪的激光接收靶，通过测量传递井筒，按照一定的旋转角度间隔，如90°间隔依次旋转激光自动安平垂准仪，分四次将激光投射至地铁隧道内激光接收靶上，并做投射点标记，将四点两两对角连线得到的交点即为由地面传递至地铁隧道内的平面控制基准点，其平面坐标为(X1、Y1)(和步骤2的转换后坐标(X1、Y1)一样)。针对不同深度的地铁隧道，考虑到激光投射精度，可灵活选择仪器旋转间隔投射多个激光点，并同样采用求对角线交点的方法确定平面控制基准点。
本发明将地面上所测得的平面坐标(X1、Y1)作为平面控制基准传递至地铁隧道内，指导隧道贯通施工。
步骤4，在步骤3所述的平面控制基准点上架设全站仪，根据平面控制基准点坐标(X1、Y1)和隧道内掘进方向平面控制测量所布设的导线控制点坐标(Xq1、Yq1)进行反算，即可求得两控制点间的距离Sq1和方位角αq1，并以此重新进行平面定向，达到平面联系测量的目的。同时，可以通过反算平面控制基准点坐标(X1、Y1)和隧道掘进反向平面控制测量导线控制点坐标(Xh1、Yh1)求得两点间的距离Sh1和方位角αh1，与实测距离Sh1′和方位角αh1′比较，判定前期测设横向误差的累积程度，以便及时调整。
具体实施时，施工方可根据判定的前期累积横向误差做适当的施工线形调整，以免因横向累积误差过大影响最终贯通。
步骤5，针对运营期进行地铁隧道结构水平位移监测时，可根据监测方案需要，灵活选用不同区域的地面控制点作为平面控制基准点，并解算此时的控制点平面坐标(Xb0、Yb0)，与地铁隧道竣工后所测该控制点平面坐标(Xj、Yj)的差值(ΔX，ΔY)作为平面控制基准的偏移值。进行平面控制基准传递时，依次按照步骤2、步骤3平面控制基准传递方法将地面控制点平面坐标传递到地铁隧道内，并以步骤3中所述交点作为隧道内结构水平位移监测的基准点，提供横向基准。
具体实施时，计算和控制可由地铁站间平面控制基准传递装置中的控制模块执行，利用计算机软件技术实现以上流程的自动运行。
具体实施时，系统装置包括用于获取地面控制点绝对位置的GNSS接收机、用于平面控制基准传递的激光垂准仪、传递井筒、隧道内安置的激光接收靶以及其他的辅助设施。GNSS接收机通过获取足够时长的观测数据结合精密星历，采用PPP技术解算出毫米级至亚毫米级的地面控制点平面坐标，进一步通过激光垂准仪将此平面基准传递至地铁隧道内。
本发明的优势在于可以避免远距离引测国家等级控制点平面基准产生的误差和生产成本，可灵活用于地铁隧道施工阶段的平面联系测量中，在保证高精度定向的同时也摒弃了传统定向方式组织复杂，开凿竖井联测地面控制点成本高，安全性低等缺点，尤其是针对长距离地铁站间横向贯通误差积累最大的区域可通过本发明方法进行预先调整，以确保地铁隧道顺利贯通。对于运营期地铁隧道变形监测，可根据实际监测需求，选用不同区域地面控制点来获取隧道内水平位移监测横向基准。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，其特征在于：用于配合激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪。
2.根据权利要求1所述基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，其特征在于：设置太阳能电池板，向有源器件提供电能。
3.根据权利要求1所述基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，其特征在于：GNSS接收机配备扼流圈天线，控制多路径效应影响；控制模块基于GNSS接收机提供的观测数据，通过PPP解算得到地面控制点平面坐标，然后使用激光自动安平垂准仪通过连通地面与地铁隧道的激光传递井筒，按预设的旋转角度间隔多次向地铁隧道内投射激光，将投射到隧道内激光接收靶上的点两两对角连线，所得交点为传递后的水平基准点，其水平坐标作为地铁隧道施工期间定向和运营期变形监测的平面控制基准。
4.一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递方法，其特征在于：设置基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递装置，以及激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，地铁站间平面控制基准传递装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪；
GNSS接收机配备扼流圈天线，控制多路径效应影响；控制模块基于GNSS接收机提供的观测数据，通过PPP解算得到地面控制点平面坐标，然后使用激光自动安平垂准仪通过连通地面与地铁隧道的激光传递井筒，按预设的旋转角度间隔多次向地铁隧道内投射激光，将投射到隧道内激光接收靶上的点两两对角连线，所得交点为传递后的水平基准点，其水平坐标作为地铁隧道施工期间定向和运营期变形监测的平面控制基准。
5.根据权利要求4所述基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递方法，其特征在于：实现过程包括以下步骤，
步骤1，进行平面联系测量前，分别在各地面控制点上安置地铁站间平面控制基准传递装置，配合提前设置的相应激光传递井筒作为辅助；启动并连续运行GNSS接收机获取卫星观测数据，进行地面控制点坐标解算，得到的控制点平面坐标记为(X0、Y0)；
步骤2，施工期间作为平面联系测量使用时进行坐标系统一，将地面控制点坐标转换到地铁隧道内的平面控制系统中，转换后坐标记为(X1、Y1)；
步骤3，在地面的地铁站间平面控制基准传递装置竖向对应的地铁隧道内安置激光自动安平垂准仪的激光接收靶，通过激光传递井筒，按照预设的旋转角度间隔，多次将激光投射至激光接收靶上，并做投射点标记，两两对角连线得到的交点即为由地面传递至地铁隧道内的平面控制基准点，其平面坐标同样为(X1、Y1)；
步骤4，在步骤3所述的平面控制基准点上架设全站仪，根据平面控制基准点坐标(X1、Y1)和隧道内掘进方向平面控制测量所布设的导线控制点坐标(Xq1、Yq1)进行反算，求得两控制点间的距离Sq1和方位角αq1，并以此重新进行平面定向，实现达到平面联系测量。
6.根据权利要求5所述基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递方法，其特征在于：通过反算平面控制基准点坐标(X1、Y1)和隧道掘进反向平面控制测量导线控制点坐标(Xh1、Yh1)求得两点间的距离Sh1和方位角αh1，与实测距离Sh1′和方位角αh1′比较，判定前期测设横向误差的累积程度，以及时进行施工线形调整。
7.根据权利要求5所述基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递方法，其特征在于：在运营期进行地铁隧道结构水平位移监测时，根据监测方案需要，选用不同区域的地面控制点作为平面控制基准点，并解算此时的控制点平面坐标(Xb0、Yb0)，与地铁隧道竣工后所测该控制点平面坐标(Xj、Yj)的差值(ΔX，ΔY)作为平面控制基准的偏移值；进行平面控制基准传递时，依次按照步骤2、步骤3中平面控制基准传递方式将地面控制点平面坐标传递到地铁隧道内，并以两两对角连线得到的交点作为隧道内结构水平位移监测的基准点，提供横向基准。
8.一种基于GNSS静态PPP的地铁站间平面控制基准传递系统，其特征在于：用于将地面控制点的平面位置信息传递至地铁隧道内，系统包括地铁站间平面控制基准传递装置、激光传递井筒和地铁隧道内激光接收靶，地铁站间平面控制基准传递装置包括GNSS接收机、扼流圈天线、激光自动安平垂准仪和控制模块，扼流圈天线连接GNSS接收机，GNSS接收机的输出连接控制模块，控制模块连接激光自动安平垂准仪。
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