基于GNSS 的地鐵延長線控制測量

童楊津,趙文峰*,余 兵

（深圳市長勘勘察設計有限公司,廣東 深圳 518003）

引言

城市軌道交通是城市的重要組成部分,軌道交通線路數量是反映一個城市發達程度的重要指標。隨著城市快速發展,新建軌道交通線路逐年遞增,不同軌道交通線路的交叉銜接,同一線路的延長已成為軌道交通線路建設常態化情形,而基于GNSS 的控制測量是各城市軌道交通線路順利銜接的有利保證。目前國內對城市軌道交通線路建設中的線路交叉、分期建設的線路銜接或換乘等情形下的GNSS（Global Navigation Satellite System,以下簡稱為GNSS）控制測量案例研究討論較少[1-7],為適應城市軌道交通建設發展的需要,本研究以深圳地鐵軌道交通3 號線東延段GNSS 控制測量為例,介紹了GNSS 控制網布設及施測、數據處理及精度分析等過程內容,對實施過程中的細節和關鍵問題進行了說明,并針對深圳地鐵控制測量項目實施過程中亟需解決的問題,提出了相應建議及研究方向,為后續城市軌道交通線路控制測量項目的實施提供參考。

1 工程概況

深圳市地鐵3 號線東延段位于深圳市龍崗區,起于既有雙龍站站后, 終于六聯站。線路全長約9.13 km,其中高架段長度為1.46 km,過渡段長度為0.45 km,地下段長度為7.22 km。共設車站7 座,梨園站為高架站,其余為地下站,其中換乘站1 座。最大站間距1.85 km（新生～坪西）,最小站間距0.85 km（雙龍～梨園）,全線平均站間距1.31 km。本項目已由其他單位于2016 年進行了全線的控制測量,由于后期線路設計修改,重新進行了招投標。受城市更新影響,原3號線東延段控制點成果破壞嚴重,無法滿足后續施工要求,需重新進行控制網的搭建。

2 GNSS 控制網布測

2.1 資料收集及現場踏勘

針對GNSS 控制網,共收集QS（點名以縮寫字母代替）、DLG、HHD、QSA、DWL 等5 個城市Ⅱ等平面控制點成果、3 號線GNSS 控制點成果及原3 號線東延段GNSS 控制點成果。踏勘過程中發現DLG、QSA 及DWL 等點位周邊有較茂盛的樹木,觀測前需對樹木枝丫進行修理,3 號線可利用GNSS 控制點2 個（GPS17和GPS18）,原3 號線東延段可利用GNSS 控制點5 個（GPS01、GPS02、GPS07、GPS09 及GPS14）。

2.2 GNSS 控制網設計

GNSS 控制網設計過程中,在符合《城市軌道交通工程測量規范》（GB/T 50308-2017）[8](以下簡稱“規范”)要求的情況下,綜合考慮工期、經濟等因素,應盡量采用原有線路GNSS 控制點。選點時,宜先在地鐵沿線地形圖上進行初選,除考慮點位的通視情況、點間距離（除特殊情況,一般不小于800 m）及網型外,所選點位還需考慮地鐵沿線房屋拆除情況、點位穩定性及是否方便精密導線測量等,且新布點宜設計多個備選位置。完成初選后,應現場確認點位是否符合上述各項要求,同時檢查點位周邊觀測條件等。鑒于本線路為3 號線延長線路,在布設一等GNSS 控制網時需納入3 號線銜接站GNSS 控制點。本項目GNSS 控制網分2 級布設,先布設平均間距約5 km 的一等GNSS控制網,然后在一等GNSS 控制網網下布設間距約2 km 的二等GNSS 控制網,其中一等GNSS 控制網共布設9 個點,二等GNSS 控制網共布設15 個控制點,具體詳見圖1、圖2。

圖1 一等GNSS 控制網布設圖

圖2 二等GNSS 控制網布設圖

完成GNSS 控制網設計后,方案需進行專家論證,通過后才可進入下一環節。

2.3 埋石觀測

為使點位能夠長期保存,本項目新布GNSS 控制點點位均以樓頂標石的形式埋設。

外業觀測中,采用GNSS 靜態相對定位方法,以邊連式與網連式相結合的圖形布設形式進行觀測[9],每一時段5 臺GNSS 接收機同步作業,每站獨立設站數≥2 次。每一時段觀測時長,一等GNSS 控制網不少于120 min,二等GNSS 控制網不少于90 min,當同一時段中有觀測條件較差的控制點時,該時段則盡量延長觀測時間。

3 數據處理及精度分析

3.1 基線解算及檢核

基線解算時,采用衛星廣播星歷,利用TBC V3.6軟件進行處理,解算時保留合格基線,剔除粗差和病態衛星數據。

基線檢核以復測基線長度較差和異步環各坐標分量及全長閉合差作為檢核指標。復測基線長度較差分布統計中發現,≤1/2 限差內的一、二等GNSS 控制網的復測基線數占比分別為66.67%、81.25%,在1/2～1 倍限差內的一、二等GNSS 控制網的復測基線數占比分別為33.33%、18.75%。異步環閉合差反映了整個GNSS 控制網的外業觀測質量和基線解算質量的可靠性,表1、表2 分別統計了一、二等GNSS 控制網異步環各坐標分量及全長閉合差分布情況。由表1 可知,一等GNSS 控制網異步環各坐標分量及全長閉合差在≤2/3 限差范圍內的占比均達90%以上,而表2反映出二等GNSS 控制網中≤1/3 限差范圍內的4 項閉合差占比均已達90%以上,其中Wz 和Ws 均達100%。

表1 一等GNSS 控制網異步環閉合差分布

表2 二等GNSS 控制網異步環閉合差分布

由上述統計數據知,二等GNSS 控制網內的基線解算質量優于一等GNSS 控制網。經分析,主要原因是一等GNSS 控制網內的點位大多處于山上,點位周邊存在樹木遮擋衛星信號,進而影響基線解算總體質量。

3.2 網平差及精度分析

經基線檢核合格后,采用COSA GPS2000 Ver5.2進行網平差。

三維無約束平差中,一、二等GNSS 控制網均以控制點3G421 為起算點,在WGS-84 坐標系中進行三維無約束平差。二維約束平差時,為了保證起算數據的正確性,首先對5 個城市Ⅱ等平面控制點做了內部檢核,通過選用DWL、HHD 和DLG 為起算點進行起算點間符合性比較,其中QS 和QSA 的檢測值與原測值點位較差分別為20.0 mm、3.9 mm（限差為50 mm）,說明這5 個城市II 等控制點的符合性較好,可作為本項目一等GNSS 控制網的起算點。因此,以城市II 等控制點QS、QSA、DLG 及DWL 作為約束條件,對一等GNSS 控制網進行平差處理,二等GNSS 控制網則先選取一等GNSS 控制網計算的GPS17、GPS09 及3G421 等點成果作為約束條件進行網平差。經統計,一等GNSS 控制網中最弱點為ZD526,其點位中誤差為±8.0 mm,最弱邊為GPS09～3G421,其邊長相對中誤差為1/551000（限差為1/200000）,相鄰點的最大相對點位中誤差為±8.5 mm,限差為±20 mm。一、二等GNSS 控制網中延用3 號線點位的控制點GPS17 及GPS18,對其原測成果與本次測量成果作了檢核,兩點的點位較差分別為7.7 mm,11.7 mm,成果較差均滿足規范要求,GPS17、GPS18 均采用原3 號線坐標成果。

為確保3 號線東延段與3 號線順利銜接,最終以GPS17、GPS18、GPS09 和3G421 等四點作為起算點進行最終二等GNSS 控制網二維約束平差。經統計,控制網中最弱點為GPS14,其點位中誤差為±4.3 mm,最弱邊為3G423～GPS07,其邊長相對中誤差為 1/279000 （限差為1/100000）,相鄰點的最大相對點位中誤差為±4.6 mm,限差為±10 mm。一、二等GNSS 控制網中延用原3 號線東延段點位的控制點,對其原測成果與本次測量成果作了檢核,見表3。

表3 原3 號線東延段GNSS 控制點成果檢核

由表3 可知,表中5 個GNSS 控制點的兩次成果較差ΔS 最小點為GPS14,ΔS 為3.6 mm,ΔS 最大點為GPS07,ΔS為11.8 mm,但其點位中誤差Mp 僅為±3.0 mm。為驗證成果的準確性,采用高精度全站儀Trimble S7 1″DR Plus 檢查了GPS07～GPS09 邊長,經氣象、儀器加、乘常數改正以及高程歸化和投影改化后,所得距離與本次GPS07、GPS09 測量成果的反算距離進行了比較,較差為0 mm,驗證了本次測量成果準確、可靠。由于原3 號線東延段GNSS 控制點成果并未用于實際地鐵建設,最終利用的原3 號線東延段5 個GNSS 控制點全部采用本次測量成果。

綜上所述,本項目一、二等GNSS 控制網布設合理,成果可靠,滿足規范要求。

4 結論與討論

本研究以深圳地鐵軌道交通3 號線東延段GNSS控制測量為例,介紹并總結了GNSS 控制網布測、數據處理及精度分析等環節的主要內容,結果表明該項目GNSS 控制網布設合理、成果可靠,滿足規范要求,有效保證了地鐵線路的順利銜接。

通過實施的多個深圳市地鐵GNSS 控制測量項目,總結了以下幾點亟需解決的問題：一是深圳市城市II 控制點大多處于山頂或樓齡較老的樓房頂,點位周邊存在較密的樹木、通信設備、高壓鐵塔或新建高樓,衛星信號接收條件差；二是城市Ⅱ等控制點破壞嚴重,分布不均勻,尤其深圳市發展迅速的區域,部分線路周邊無高等級起算點可用。針對上述情況,提出了如下建議：一是由深圳地鐵集團立項,根據后續深圳市軌道交通發展規劃進行一等全市軌道交通控制網的布測或商請市測繪行政主管部門進行深圳市Ⅱ等平面控制網的加密補測工作,以便滿足后續深圳市軌道交通及重大工程建設的需要；二是結合現有城市II 平面控制點與“SZCORS”站點,建立GNSS 控制網進行聯合平差解算,研究城市II 控制點與“SZCORS”站點成果間的符合性,在符合性較好的情況下,可通過“SZCORS”站點代替城市II 控制點的作用；三是針對信號條件差的起算點位,可通過采用多星系統GNSS接收機、增加觀測時段及延長觀測時間等措施,保證足夠的多余觀測數據,減少或避免內業處理誤差超限引起的返工。