李謀思 劉志鋒

摘 要：【目的】研究城市軌道交通平面首級(jí)GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)方法及數(shù)據(jù)分析處理，總結(jié)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)?！痉椒ā拷Y(jié)合城市軌道交通平面首級(jí)GNSS控制測(cè)量的規(guī)范要求及工程實(shí)際情況，以某市軌道交通四號(hào)線GNSS控制網(wǎng)的建立及數(shù)據(jù)處理過(guò)程為例，采用框架網(wǎng)、線路網(wǎng)的分級(jí)布設(shè)，介紹了地鐵GNSS控制網(wǎng)的主要精度要求、測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則、外業(yè)采集過(guò)程、數(shù)據(jù)處理流程、質(zhì)量檢驗(yàn)等方法?！窘Y(jié)果】控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)應(yīng)與相鄰線路控制網(wǎng)重合點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)；點(diǎn)位選取除須符合規(guī)范要求外，還應(yīng)與線路走向及施工相配合，與相鄰線路控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)，保證點(diǎn)位精度；數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需特別注意同步環(huán)及異步環(huán)精度，針對(duì)長(zhǎng)基線、車站附近控制點(diǎn)等重要位置應(yīng)采用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行邊長(zhǎng)觀測(cè)及修正。【結(jié)論】城市軌道交通平面首級(jí)GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過(guò)程，數(shù)據(jù)分析處理對(duì)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高，該控制網(wǎng)測(cè)設(shè)，能夠很好地滿足生產(chǎn)要求，對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：GNSS控制網(wǎng)布設(shè)；框架網(wǎng)；線路網(wǎng)；數(shù)據(jù)處理；軌道交通

中圖分類號(hào)：TG333? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）06-0011-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.002

Establishment and Data Analysis of GNSS Control Network of Rail Transit

LI Mousi1 LIU Zhifeng2

（1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.， LTD， Wuhan 430022， China; 2.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co. Ltd， Guangzhou 510000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the layout method and data analysis and processing of the first level GNSS control network for urban rail transit， thus summarizing project experience. [Methods] Combined with the specification requirements of the first-level GNSS control measurement of urban rail transit plane and the actual situation of the project， and taking the establishment and data processing of the GNSS control network for Line 4 of a certain city's rail transit as an example， the hierarchical layout of the frame network and the line network is adopted. The main accuracy requirements of the subway GNSS control network， the principle of measuring point layout， the field collection process， data processing flow， quality inspection and other methods are introduced. [Findings] When laying out the control network， it is advisable to conduct joint measurement with the overlapping points of the adjacent line control network. The selection of point positions should not only comply with the requirements of the specifications， but also be coordinated with the line direction and construction， and should be connected with the adjacent line control points to ensure the accuracy of point positions; During the data processing process， special attention should be paid to the accuracy of synchronous and asynchronous loops. For important parts such as long baselines and control points near stations， measurement robots can be used for edge length observation and correction. [Conclusions] The layout of the first level GNSS control network for urban rail transit is a time-consuming and laborious process， and data analysis and processing require high experience from technical personnel. The control network measurement can well meet production requirements and has certain guiding significance for similar projects.

Keywords：GNSS control network deployment; frame network; line network; data process; rail transit

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大城市的在建地鐵線路快速增加，線路之間穿越、交叉越來(lái)越頻繁，超長(zhǎng)站間距也越來(lái)越普遍。因此，在設(shè)計(jì)階段需要將高等級(jí)的控制網(wǎng)布設(shè)準(zhǔn)確。首級(jí)平面控制網(wǎng)一般先布置框架網(wǎng)，再布置線路網(wǎng)［1］。本研究以某市軌道交通四號(hào)線GNSS控制網(wǎng)的布測(cè)為例，介紹了地鐵GNSS控制網(wǎng)的主要精度要求和測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則、外業(yè)采集過(guò)程、數(shù)據(jù)處理流程及質(zhì)量檢驗(yàn)方法等。

1 工程概況

某市軌道交通四號(hào)線全長(zhǎng)約為55.2 km，共設(shè)車站33座，其中換乘車站13座。平均車站間距為1.71 km，最大車站間距為3.93 km。全線設(shè)置車輛基地2處，1處停車場(chǎng)、1處車輛段。

2 GNSS控制網(wǎng)

2.1 GNSS控制網(wǎng)的舊點(diǎn)利用

通過(guò)對(duì)收集的上述控制點(diǎn)資料經(jīng)過(guò)篩選，選取了地鐵四號(hào)線一期沿線周邊的部分控制點(diǎn)，分別作為該項(xiàng)目地面控制測(cè)量的起算點(diǎn)、框架點(diǎn)、城市檢核點(diǎn)（體校宿舍、翠坑小學(xué)）等加以利用。

2.2 GNSS控制網(wǎng)主要精度指標(biāo)

地鐵GNSS控制測(cè)量的主要精度指標(biāo)參照《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》（GB50308—2017）中的規(guī)定執(zhí)行，主要精度指標(biāo)詳見表1。

2.3 GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)

2.3.1 GNSS控制網(wǎng)的布設(shè)原則。依據(jù)《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》（GB/T50308—2017）的要求，將該市的城市B級(jí)起算點(diǎn)（“青岐村委會(huì)”“東海大道7號(hào)”“新廣煙二廠”“丹灶水廠”“寶翠庭”“市橋綜合廠”）與K4G01～K4G10共同組成軌道交通一等網(wǎng)（框架網(wǎng)），在此基礎(chǔ)上沿著線路附近布設(shè)軌道交通二等網(wǎng)（線路網(wǎng)）。

軌道交通二等控制點(diǎn)應(yīng)沿線路兩側(cè)布設(shè)，控制點(diǎn)宜布設(shè)在主變站（2處）、控制中心（1處）、車站（33座）附近及車輛基地（2處）附近。其中車輛基地面積較大，應(yīng)布設(shè)的控制點(diǎn)數(shù)量不少于3個(gè)；為確保本工程與其他軌道交通工程的順利銜接，二等控制網(wǎng)與其他8個(gè)線路交叉處或換乘站的控制點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行必要的聯(lián)測(cè)，每處的聯(lián)測(cè)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)不少于2個(gè)。軌道交通二等控制點(diǎn)的相鄰控制點(diǎn)之間應(yīng)滿足至少有一個(gè)通視方向，控制點(diǎn)間的基線邊長(zhǎng)控制在2 km左右［2］。

2.3.2 GNSS框架網(wǎng)的實(shí)際布設(shè)。該項(xiàng)目全網(wǎng)布設(shè)94個(gè)衛(wèi)星定位控制點(diǎn)，其中新埋點(diǎn)約58個(gè)，線路交叉重合點(diǎn)共13個(gè)（其中聯(lián)測(cè)廣佛線2點(diǎn)、廣佛線二期2點(diǎn)、2號(hào)線2點(diǎn)、3號(hào)線4點(diǎn)、11號(hào)線2點(diǎn)、佛山西站1點(diǎn)），城市等級(jí)重合點(diǎn)7個(gè)、框架點(diǎn)10個(gè)、起算點(diǎn)6個(gè)。采用邊連接、網(wǎng)連式布網(wǎng)，由多邊形閉合環(huán)構(gòu)成帶狀圖形，其中所有觀測(cè)邊都為獨(dú)立基線向量，且閉合環(huán)中的邊數(shù)不多于6條，控制網(wǎng)布設(shè)如圖1所示。

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

GNSS控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集需要在觀測(cè)時(shí)段的選擇和有效觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度上借鑒以往的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，安排專人進(jìn)行儀器的充電維護(hù)、協(xié)助搬運(yùn)、人員接送等工作［3］，并且需要根據(jù)該市低緯度的實(shí)際情況和該控制網(wǎng)部分邊長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況進(jìn)行精心策劃。該項(xiàng)目GNSS控制網(wǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用4臺(tái)天寶R8-3（標(biāo)稱精度為3 mm+0.1 ppm）和6臺(tái)拓普康HiperIIG雙頻雙星GNSS線路網(wǎng)接收機(jī)（標(biāo)稱精度為3 mm+0.5 ppm），共計(jì)10臺(tái)儀器?？蚣芫W(wǎng)、線路網(wǎng)的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作分開進(jìn)行，框架網(wǎng)與線路網(wǎng)外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)GNSS測(cè)量模式［4］；天線對(duì)中整平互差不大于1 mm，作業(yè)人員在觀測(cè)期間須對(duì)接收機(jī)開機(jī)前后三個(gè)不同方向量取儀器高度，三次互差應(yīng)小于3 mm，取有效儀器高度平均值［5］；在觀測(cè)手簿上記錄觀測(cè)點(diǎn)名稱、儀器高度、觀測(cè)時(shí)間等。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 基線解算

控制網(wǎng)基線向量解算采用GAMIT數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行處理，選取廣播星歷進(jìn)行解算。在基線解算中，每一條基線都采用雙差相位觀測(cè)值和雙差固定解來(lái)解算［6］。在基線解算后，進(jìn)行重復(fù)基線較差、同、異步環(huán)閉合差的檢查［7］。

本次布測(cè)的框架網(wǎng)共120條基線向量，組成32個(gè)最簡(jiǎn)異步環(huán)，環(huán)閉合差最大為32.4 mm。線路網(wǎng)共316條基線向量，組成884個(gè)同步環(huán)，189個(gè)最簡(jiǎn)異步環(huán)，環(huán)閉合差最大為36.05 mm，其坐標(biāo)差分量、環(huán)閉合差均符合規(guī)范要求，基線質(zhì)量合格。同步環(huán)閉合差如圖2所示，最簡(jiǎn)異步環(huán)閉合差如圖3所示。

對(duì)線路網(wǎng)中重復(fù)基線進(jìn)行檢核，控制網(wǎng)中共有341條重復(fù)基線，檢核情況如圖4所示。其中較差最大值為24 mm，限差為40.71 mm，重復(fù)基線滿足規(guī)范要求，基線質(zhì)量合格［8］。

4.2 平差計(jì)算

基線解算合格并符合各項(xiàng)限差后，采用武漢大學(xué)的COSAGPS V5.21軟件進(jìn)行三維無(wú)約束平差和二維約束平差［9］。

4.2.1 起算點(diǎn)檢核。分析本研究所采用的6個(gè)起算點(diǎn)之間的兼容性，采取的方案如下：隨機(jī)抽取其中1個(gè)點(diǎn)作為未知點(diǎn)，其余5個(gè)點(diǎn)作為已知點(diǎn)，進(jìn)行平差［10］。該方案執(zhí)行2次：第1次抽取C029（丹灶水廠）作為未知點(diǎn)，平差得到的結(jié)果和已知數(shù)據(jù)相比，北方向差0.41 cm，東方向差1.02 cm；第2次抽取C004（青岐村委會(huì)）作為未知點(diǎn)，北方向差0.98 cm，東方向差0.43 cm。較差結(jié)果全部小于2 cm，結(jié)果表明本網(wǎng)選用的6個(gè)起算點(diǎn)兼容性較好，可以滿足本項(xiàng)目需求［11］。

4.2.2 框架網(wǎng)約束平差。以“XXX”等6個(gè)平面控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)，對(duì)框架網(wǎng)進(jìn)行約束平差。平差得到框架網(wǎng)所有點(diǎn)的CGCS2 000大地坐標(biāo)。平差后各項(xiàng)精度統(tǒng)計(jì)如下：最弱點(diǎn)（M4KG03）中誤差為±14 mm（限差為±12 mm）；基線最弱邊為“M4KG03-M4KG04”，相對(duì)誤差為1/404 858（限差為1/200 000）。

4.2.3 線路網(wǎng)約束平差。采用14個(gè)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，對(duì)14個(gè)控制點(diǎn)的兼容性進(jìn)行檢測(cè)，固定不同的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行約束平差［12］，把其余11個(gè)點(diǎn)的結(jié)果與已知值進(jìn)行比對(duì)，檢測(cè)所有控制點(diǎn)具有良好的兼容性后，最終選擇14個(gè)點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行平差。平差后得到最弱點(diǎn)（JYFZ）中誤差為±1.03 mm；基線最弱邊為“I230-JYFZ”，相對(duì)誤差為1/128 000（限差為1/100 000）。

4.3 聯(lián)測(cè)點(diǎn)成果比對(duì)與分析

通過(guò)在該市統(tǒng)一坐標(biāo)系下的全網(wǎng)約束平差后，得到該市的城市重合點(diǎn)、不同線路換乘站附近控制點(diǎn)的坐標(biāo)，將其與原坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)與該市現(xiàn)有城市重合點(diǎn)的坐標(biāo)較差≤50 mm，具體見表2。由表中坐標(biāo)較差可知，城市檢核點(diǎn)對(duì)比結(jié)果皆符合限差（50 mm）要求。聯(lián)測(cè)其他線路控制網(wǎng)重合點(diǎn)坐標(biāo)較差≤25 mm，具體見表3。由表中坐標(biāo)較差可知，聯(lián)測(cè)的不同線路控制點(diǎn)對(duì)比結(jié)果皆符合限差（25 mm）要求［13］。

4.4 質(zhì)量檢查

平面控制點(diǎn)檢查采用了高精度全站儀TS16實(shí)測(cè)GNSS相鄰點(diǎn)間的邊長(zhǎng)和夾角的方法。在兩對(duì)通視邊之間采用附合導(dǎo)線的方法對(duì)GNSS控制網(wǎng)成果進(jìn)行抽查，驗(yàn)證成果的可靠性及數(shù)學(xué)精度［14］。本次共檢測(cè)7條邊長(zhǎng)，3組相鄰邊夾角，平面控制點(diǎn)全站儀實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與坐標(biāo)反算邊長(zhǎng)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，相鄰邊夾角檢測(cè)結(jié)果見表5。結(jié)果符合設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

GNSS首級(jí)平面控制網(wǎng)是地鐵施工的重要基礎(chǔ)，為地鐵施工建設(shè)指引方向，而控制網(wǎng)的精度直接影響車站施工的精度和盾構(gòu)區(qū)間的順利貫通［15］。

本研究通過(guò)結(jié)合建設(shè)中的某市軌道交通四號(hào)線GNSS控制網(wǎng)的布測(cè)實(shí)踐，分析了地鐵GNSS控制網(wǎng)的技術(shù)要求、布設(shè)原則、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量檢驗(yàn)等方法，得出以下結(jié)論：①采用GNSS靜態(tài)相對(duì)定位方法進(jìn)行首級(jí)平面控制網(wǎng)的測(cè)量，可以提高控制網(wǎng)的測(cè)量精度和外業(yè)觀測(cè)效率。②采用框架網(wǎng)、線路網(wǎng)分級(jí)布設(shè)，可以保證控制網(wǎng)的觀測(cè)精度，該設(shè)計(jì)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，可在類似工程控制網(wǎng)布測(cè)中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳乃權(quán).GPS技術(shù)在沈陽(yáng)市地鐵一號(hào)線施工控制網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.城市勘測(cè)，2006（1）：27-28，34.

［2］北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范：GB/T 50308—2017［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

［3］林良岱.城市軌道交通GPS控制網(wǎng)的建立及數(shù)據(jù)處理［J］.鐵道勘察，2017，43（2）：19-21.

［4］孔大興.GPS在高速公路平面控制測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.交通世界，2021（28）：33-34.

［5］楊勇華.工業(yè)數(shù)碼攝像機(jī)和GPS在廣州新電視塔水平動(dòng)位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.廣州建筑，2009，37（3）：18-20.

［6］呂林，邰賀.沈陽(yáng)市地鐵九號(hào)線GPS控制網(wǎng)的建立與數(shù)據(jù)處理［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（9）：133-134.

［7］李學(xué)仕，周適，王靠省，等.隧道洞內(nèi)平面控制網(wǎng)形與數(shù)據(jù)處理方法實(shí)驗(yàn)研究［J］.鐵道勘察，2016，42（5）：4-8.

［8］徐秀川，熊琦智，宋彥強(qiáng).GPS技術(shù)在地鐵平面控制測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.測(cè)繪地理信息，2013，38（6）：39-41.

［9］劉洋.超高層建筑第三方測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.測(cè)繪工程，2015，24（10）：71-76.

［10］狄鋼.地鐵首級(jí)地面控制網(wǎng)的建立與精度分析［J］.地理空間信息，2021，19（9）：113-115，8.

［11］周永領(lǐng).福州濱?？炀€高精度控制網(wǎng)的建立及精度分析［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2022，45（4）：253-255，258.

［12］白亞軍.沈陽(yáng)市地鐵二號(hào)線首級(jí)GPS平面控制網(wǎng)的建立［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2010，33（2）：46-47.

［13］凡建林，姚輝，林建濤.TS60全站儀在特長(zhǎng)隧洞貫通測(cè)量中的應(yīng)用［J］.經(jīng)緯天地，2020（4）：4-7.

［14］董武鐘，程森.GPS高程擬合在輸電線路控制測(cè)量中的應(yīng)用研究［J］.工程技術(shù)研究，2020，5（21）：91-92.

［15］魏本現(xiàn).廣州GPS平面控制網(wǎng)擴(kuò)建與使用［J］.價(jià)值工程，2012，31（28）：133-135.