福州地鐵六號線首級GNSS控制網布設及數據處理

梁昭陽 陳 煌

(1.福建船政交通職業學院 道路工程系 福建福州 350000； 2.福州市勘測院 福建福州 350000)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的加快，城市交通壓力越來越大，各地積極啟動地鐵建設，緩解交通壓力。地鐵建設顯然已成為當下各城市應對交通擁堵的首選方案，地鐵在地下建設，空間小,施工難度大，對測量的精度要求高。然而，如何確保地鐵首級控制網建設能夠高精度高質量的完成，是整個地鐵工程建設的關鍵環節，也是確保后期運營維護的重要保障[1-2]。

福州是福建省省會城市，在當今時代態勢下，興建地鐵，緩解路面擁堵，是時代發展形勢所然。為福州城市軌道后續首級控制建設提供參考，本文以福州市地鐵六號線首級GNSS控制網布市及其數據處理為案例，開展精度統計分析和評定。

1 福州地鐵六號線首級GNSS控制網布設

福州市軌道交通6號線是福州市城市快速軌道交通網的重要組成部分，線路起于倉山區南臺島會展中心，終于長樂國際機場。主要線路沿會展中心-福泉高速-東部新城-道慶洲大橋-203省道-海峽路-鄭和路-東鶴路-道慶路-漳江達道-漳港鎮-長樂機場。線路全長約41.111km，其中高架線長6.765km,過渡段長0.643km,地下線長33.703 km，共設19座車站，其中高架站1座，地下站18座，最大站間距為6.815km；最小站間距為0.927km，平均站間距2.140km。全線設橫港車輛段和樟嵐停車場，控制中心擬設于橫港車輛段內，與規劃5、7、8、9號線共用；設主變電站2座?？v觀整條線路設計里程長，沿線不僅經過繁華主城區，還穿過閩江、烏龍江等地質條件復雜地段，這給測量工作增加了諸多困難。

1.1 現有控制點成果的收集整理

根據福州地鐵六號線規劃線路實際情況，沿線路附近收集可供利用的平面控制測量成果。

地鐵六號線選取項目周邊共6個已知高等級GPS點做為起算點，其中為了顧及GNSS網形條件和數據試驗的需要，選取2個在項目周邊的福州市CORS站作為起算點。

另外，考慮到福州地鐵六號線將來會與多條在建或已運營地鐵線路進行交叉換乘，地鐵控制網的整體性和后續規劃的銜接性，除了對福州城市等級控制點收集外，還對其它已建成的既有線路和在建地鐵線路進行控制點的收集并利用，以滿足控制網布設需求。經收集，并對收集到的控制成果進行逐一現場踏勘驗證，確認能夠滿足地鐵首級GNSS控制網的觀測要求后，共得到可利用的現有控制成果16個點。主要包括福州市連續運行參考站、福州市城市二等和三等GPS點、地鐵1號線一二期地面平面控制點、地鐵2號線地面平面控制點等。

1.2 GNSS控制網布設

福州市地鐵六號線首級GNSS平面控制網的坐標系統，采用福州市城市地方坐標系統，為保證GNSS控制網具有較高的內符合精度，首級控制網在福州市三維框架網下布設，其中福州市三維框架點6個，4個城市已有控制點、 50個新埋設控制點、其它地鐵首級GNSS控制點8個，線路點共計68個點組成。控制網點位分布如圖1所示。

圖1 福州市地鐵6號線GNSS首級控制網圖

地鐵六號線GNSS首級平面控制網的布設遵循GNSS控制測量的基本特點和要求，具體按照以下幾個原則進行布設[3-5]：

(1)衛星定位控制網需與現有城市一等或二等控制點聯測3～5個點，并點位均勻分布;在不同線路交叉有聯絡線處或同一線路前后期工程銜接處，布設2個以上重合點,重合點坐標較差應滿足要求。

(2)衛星定位控制網沿線路兩側布設，控制點布設在隧道出入口、豎井或車站附近，車輛段附近應布設3～5個控制點，相鄰控制點應滿足通視要求，布設控制點選擇便于發展精密導線。

(3)衛星定位控制網非同步獨立觀測時，由非同步獨立基線構成閉合環或附合路線，每個閉合環或附合路線中的邊數不應大于6條。

(4)為了確保軌道交通衛星定位控制網與軌道交通其他在建及將建線路的衛星定位控制網的平面銜接關系，在線路換乘站處充分考慮軌道交通其他線路位置進行布設。

1.3 起算點穩定性分析

該項目選用的起算點位置分布散，且成果時間間隔較長。因此，為了保證6號線首級GNSS控制網在進行全網平差時的基準一致性，確保整體網型不發生扭曲,且利于后續精密導線加密測量工作，在進行GNSS控制網平差之前，對已知平面控制點起算數據的穩定性和兼容性進行分析[6-7]。

起算點穩定和兼容性分析檢驗采用加點法進行分析。該法是指在平差計算時通過對部分已知數據進行約束，然后將剩下的已知起算點作為待定點納入控制網平差，再對結果進行比較分析，排除穩定性較差的起算點。本次采用的具體方案是約束5個點，將剩下一個點入網參與平差。具體做法：首先在二維約束平差前，對分布于網周邊的6個起算點穩定性采用加點法進行分析，分別以其中五點作為約束點，解算另外一點坐標，通過比較解算較差是否達到限差要求判定起算點穩定性，經過比較得出各點較差。具體結果如表1所示。

表1 起算點兼容性檢查表 mm

由表1分析可知，各點檢核較差均滿足規范規定的限差要求，可靠性較強， 已知點點位總體穩定性較好，6個起算點均可作為本次GNSS首級控制網測量平差的起算點。

2 GNSS控制網施測

地鐵首級GNSS控制網是地鐵工程的首級框架性控制網，其成果精度的可靠性關系到后續工程的各個環節，是控制測量的關鍵性工作。因此，為提升GNSS整網精度可靠性，保證測量成果的精度，本次首級控制網觀測方案全部采用可靠性較強的邊連式組網觀測，要求重復設站率≥3.0，以保證有效多余觀測和外業觀測數據可靠性。同時，在儀器選擇上采用了性能穩定的天寶trimble R4 GNSS接收機，其儀器標稱水平精度為：3mm+0.5ppm，垂直精度為：5mm+0.5ppm，能夠滿足觀測要求。此外，還對本次所使用的測量設備可靠性再次進行全面檢查,主要檢查內容包括:儀器設備完整性、GNSS接收機模式設置、接收機存儲卡、電池容量、對中基座和腳架等.并對所有設備進行一次數據采集和傳輸驗證。

外業觀測前，對測區進行GPS衛星星歷預報，根據預報圖選擇合理觀測時間窗口，制定觀測計劃。根據控制網點位分布及星歷預報情況，觀測時實際采用8臺天寶R4雙頻測量型GNSS接收機，同時利用2個連續運行參考站數據，以邊連接方式進行多時段觀測衛星定位控制網，觀測時間長均大于2h；采樣率為10s；高度角為15°；實際重復設站率3.3；實際觀測了25個時段。每時段天線高量取分別以接收機3個方向的平均值為準，且觀測前、后各量取天線高各一次。

3 數據處理

3.1 數據預處理

控制網進行平差計算前，對所有外業采集數據的有效性進行檢查,確保數據能夠滿足要求，利用TEQC軟件對所有外業觀測數據進行質量檢查。TEQC軟件是一款功能強大且使用方便的GNSS數據預處理軟件，使用時通過輸入相應的執行命令就可對多路徑效應和周跳比、電離層延遲、信噪比等信息進行檢查，得出數據的有效利用率。經檢查，所有測站的數據有效利用率均大于80%，滿足規范[4]要求。最后，對檢查合格后的數據利用TEQC軟件進行數據編輯和格式轉換，形成標準rinex格式數據。

3.2 基線解算

基線解算采用Trimble自帶的GNSS精密靜態數據處理商業軟件TBC(Trimble business center)V 2.5軟件版本，本次基線解算采用衛星廣播星歷，雙差相位觀測值和雙差固定解方案?；€解算前用軟件檢查每一個時段數據質量,對外業采集過程中信號干擾周跳較大部分基線，采用刪除衛星或用截取時間段的處理方法進行修復，并分段進行基線解算。經統計整網共觀測25個時段，共171條獨立基線解算通過。對解算通過的所有獨立基線進行重復基線、環閉合差的檢驗。

(1)重復基線長度較差ds應滿足下式的要求[8]：

式中，

n為同一邊的復測次數；

σ為測量中誤差，單位mm。

(2)獨立基線異步環坐標分量及全長閉合差應滿足下列各式要求[8]：

式中，

n為獨立環的邊數；

Wx為坐標分量X閉合差，單位mm；

Wy為坐標分量Y閉合差，單位mm；

Wz為坐標分量Z閉合差，單位mm；

W為全長閉合差，單位mm。

解算結果：重復基線較差最大值為1.69cm，小于限差±6.57cm；環閉合坐標分量差最大值分別為Wx=-4.53cm，Wy=6.33cm，Wz=5.51cm，均小于相應限差。環閉合差W最大值為8.94cm，小于限差±13.80cm?；€解算檢查結果表明，基線質量均滿足規范要求，可進行平差計算。

3.3 控制網平差

為確保最終平差結果的精確性和有效性，本次控制網平差采用武漢大學的科傻GPS數據處理軟件Cosa GPS Ver 5.21。

3.3.1三維無約束網平差

基線檢驗通過后進行三維無約束平差，以網中的一個點的WGS-84坐標系的三維坐標作為位置基準，將全部獨立基線構成閉合圖形，以三維基線向量及其相應方差協方差陣作為觀測信息。

該項目平差時，以CHAN點在WGS-84坐標系下的三維坐標為起算數據，在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差，并提供WGS-84坐標系的三維坐標、坐標差觀測值的總改正數、基線邊長及點位的精度信息，基線向量改正數的絕對值應滿足下列要求[8]。

VΔX≤3σ，VΔY≤3σ，VΔZ≤3σ

(3)

式中，

VΔX為基線分量X改正數，單位mm；

σ標準差，單位mm；

VΔY為基線分量Y改正數，單位mm；

VΔZ為基線分量Z改正數，單位mm。

3.3.2約束網平差

二維約束平差計算前，首先采用加點法對已知點起算數據可靠性進行檢驗，從中篩選出系統一致的點組作為GNSS首級控制網的起算基準?？紤]到起算點均勻分布網周邊及今后其他軌道線路平面控制測量的銜接，在福州城市地方平面直角坐標系中，以YT、HT、A042、NSD、CHAN、RUAN共6點為起算數據全部參與約束。進行二維約束平差，采用“科傻GPS數據處理軟件Cosa GPS Ver 5.21”計算衛星定位首級控制網點的福州城市地方平面直角坐標，并輸出相應坐標系的坐標、基線向量改正數、基線邊長和方位角、轉換參數及精度信息等[8]。

4 精度分析

經過方案優化后，選取25個觀測時段解算通過的171條合格獨立基線進行構網平差。將解算通過的獨立基線進行重復基線、環閉合差的檢驗，結果顯示：其中重復基線最大值為1.69cm，小于限差6.57cm。表2為異步環閉合差統計結果，環閉合差最大值為8.94cm遠小于限差,各個坐標分量閉合差也小于限差值。

表2 異步環閉合差統計 cm

重復基線和閉合環檢驗是判斷衛星控制網質量的重要指標，網型合格后進行三維無約束平差。三維無約束平差后的最弱點位中誤差為3.93cm。本次三維無約束平差的所有點位精度統計結果如圖2所示。

圖2 三維無約束平差點位精度統計

依據三維無約束平差結果，在判定6個起算點穩定性良好后(具體結果見表1)，再進行二維約束平差計算。二維約束平差后的最弱點位中誤差為8.4mm，最弱邊相對中誤差為1/232 000， 二維約束平差后的所有點位精度統計結果如圖3所示。

圖3 二維約束平差點位精度統計

通過以上數據分析可得，整網共68個點，平差后所有點位中誤差均小于10 mm，滿足設計限差≤±12mm的精度要求，最弱邊相對中誤差也滿足設計精度要求。

5 結語

福州地鐵六號線作為福州市城市軌道交通網絡的重要一環，GNSS首級平面控制網的建成不僅能夠為六號線建設提供高精度平面基準，也將為六號線后期的運營維護及后續其他線路規劃建設提供控制依據。本文通過對福州地鐵六號線首級GNSS平面控制網的布設方案、數據采集與處理過程進行介紹，并對其解算結果進行精度分析，進一步驗證了數據計算結果的可靠性，獲得了高質量首級平面控制點坐標，為福州地鐵六號線的施工放樣、貫通測量、聯系測量、竣工測量等測量工作提供數據保障、框架服務；同時，也為福州城市軌道交通后續高精度框架網的建設提供了重要經驗參考。