軌道交通GNSS控制網的建立及數據分析處理

李謀思 劉志鋒

摘 要：【目的】研究城市軌道交通平面首級GNSS控制網的布設方法及數據分析處理，總結項目經驗。【方法】結合城市軌道交通平面首級GNSS控制測量的規范要求及工程實際情況，以某市軌道交通四號線GNSS控制網的建立及數據處理過程為例，采用框架網、線路網的分級布設，介紹了地鐵GNSS控制網的主要精度要求、測點布設原則、外業采集過程、數據處理流程、質量檢驗等方法。【結果】控制網布設時應與相鄰線路控制網重合點進行聯測；點位選取除須符合規范要求外，還應與線路走向及施工相配合，與相鄰線路控制點聯測，保證點位精度；數據處理過程中需特別注意同步環及異步環精度，針對長基線、車站附近控制點等重要位置應采用測量機器人進行邊長觀測及修正。【結論】城市軌道交通平面首級GNSS控制網的布設是一個費時費力的過程，數據分析處理對技術人員經驗要求較高，該控制網測設，能夠很好地滿足生產要求，對類似工程具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：GNSS控制網布設；框架網；線路網；數據處理；軌道交通

中圖分類號：TG333? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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，國內各大城市的在建地鐵線路快速增加，線路之間穿越、交叉越來越頻繁，超長站間距也越來越普遍。因此，在設計階段需要將高等級的控制網布設準確。首級平面控制網一般先布置框架網，再布置線路網［1］。本研究以某市軌道交通四號線GNSS控制網的布測為例，介紹了地鐵GNSS控制網的主要精度要求和測點布設原則、外業采集過程、數據處理流程及質量檢驗方法等。

1 工程概況

某市軌道交通四號線全長約為55.2 km，共設車站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。全線設置車輛基地2處，1處停車場、1處車輛段。

2 GNSS控制網

2.1 GNSS控制網的舊點利用

通過對收集的上述控制點資料經過篩選，選取了地鐵四號線一期沿線周邊的部分控制點，分別作為該項目地面控制測量的起算點、框架點、城市檢核點（體校宿舍、翠坑小學）等加以利用。

2.2 GNSS控制網主要精度指標

地鐵GNSS控制測量的主要精度指標參照《城市軌道交通工程測量規范》（GB50308—2017）中的規定執行，主要精度指標詳見表1。

2.3 GNSS控制網的布設

2.3.1 GNSS控制網的布設原則。依據《城市軌道交通工程測量規范》（GB/T50308—2017）的要求，將該市的城市B級起算點（“青岐村委會”“東海大道7號”“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（框架網），在此基礎上沿著線路附近布設軌道交通二等網（線路網）。

軌道交通二等控制點應沿線路兩側布設，控制點宜布設在主變站（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，應布設的控制點數量不少于3個；為確保本工程與其他軌道交通工程的順利銜接，二等控制網與其他8個線路交叉處或換乘站的控制點應進行必要的聯測，每處的聯測點數量應不少于2個。軌道交通二等控制點的相鄰控制點之間應滿足至少有一個通視方向，控制點間的基線邊長控制在2 km左右［2］。

2.3.2 GNSS框架網的實際布設。該項目全網布設94個衛星定位控制點，其中新埋點約58個，線路交叉重合點共13個（其中聯測廣佛線2點、廣佛線二期2點、2號線2點、3號線4點、11號線2點、佛山西站1點），城市等級重合點7個、框架點10個、起算點6個。采用邊連接、網連式布網，由多邊形閉合環構成帶狀圖形，其中所有觀測邊都為獨立基線向量，且閉合環中的邊數不多于6條，控制網布設如圖1所示。

3 外業數據采集

GNSS控制網外業數據采集需要在觀測時段的選擇和有效觀測時段長度上借鑒以往的測量經驗，安排專人進行儀器的充電維護、協助搬運、人員接送等工作［3］，并且需要根據該市低緯度的實際情況和該控制網部分邊長較長的情況進行精心策劃。該項目GNSS控制網外業數據采集采用4臺天寶R8-3（標稱精度為3 mm+0.1 ppm）和6臺拓普康HiperIIG雙頻雙星GNSS線路網接收機（標稱精度為3 mm+0.5 ppm），共計10臺儀器。框架網、線路網的外業數據采集工作分開進行，框架網與線路網外業觀測采用靜態GNSS測量模式［4］；天線對中整平互差不大于1 mm，作業人員在觀測期間須對接收機開機前后三個不同方向量取儀器高度，三次互差應小于3 mm，取有效儀器高度平均值［5］；在觀測手簿上記錄觀測點名稱、儀器高度、觀測時間等。

4 數據處理

4.1 基線解算

控制網基線向量解算采用GAMIT數據后處理軟件進行處理，選取廣播星歷進行解算。在基線解算中，每一條基線都采用雙差相位觀測值和雙差固定解來解算［6］。在基線解算后，進行重復基線較差、同、異步環閉合差的檢查［7］。

本次布測的框架網共120條基線向量，組成32個最簡異步環，環閉合差最大為32.4 mm。線路網共316條基線向量，組成884個同步環，189個最簡異步環，環閉合差最大為36.05 mm，其坐標差分量、環閉合差均符合規范要求，基線質量合格。同步環閉合差如圖2所示，最簡異步環閉合差如圖3所示。

對線路網中重復基線進行檢核，控制網中共有341條重復基線，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，重復基線滿足規范要求，基線質量合格［8］。

4.2 平差計算

基線解算合格并符合各項限差后，采用武漢大學的COSAGPS V5.21軟件進行三維無約束平差和二維約束平差［9］。

4.2.1 起算點檢核。分析本研究所采用的6個起算點之間的兼容性，采取的方案如下：隨機抽取其中1個點作為未知點，其余5個點作為已知點，進行平差［10］。該方案執行2次：第1次抽取C029（丹灶水廠）作為未知點，平差得到的結果和已知數據相比，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）作為未知點，北方向差0.98 cm，東方向差0.43 cm。較差結果全部小于2 cm，結果表明本網選用的6個起算點兼容性較好，可以滿足本項目需求［11］。

4.2.2 框架網約束平差。以“XXX”等6個平面控制點作為起算點，對框架網進行約束平差。平差得到框架網所有點的CGCS2 000大地坐標。平差后各項精度統計如下：最弱點（M4KG03）中誤差為±14 mm（限差為±12 mm）；基線最弱邊為“M4KG03-M4KG04”，相對誤差為1/404 858（限差為1/200 000）。

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

4.3 聯測點成果比對與分析

通過在該市統一坐標系下的全網約束平差后，得到該市的城市重合點、不同線路換乘站附近控制點的坐標，將其與原坐標進行比對，發現與該市現有城市重合點的坐標較差≤50 mm，具體見表2。由表中坐標較差可知，城市檢核點對比結果皆符合限差（50 mm）要求。聯測其他線路控制網重合點坐標較差≤25 mm，具體見表3。由表中坐標較差可知，聯測的不同線路控制點對比結果皆符合限差（25 mm）要求［13］。

4.4 質量檢查

平面控制點檢查采用了高精度全站儀TS16實測GNSS相鄰點間的邊長和夾角的方法。在兩對通視邊之間采用附合導線的方法對GNSS控制網成果進行抽查，驗證成果的可靠性及數學精度［14］。本次共檢測7條邊長，3組相鄰邊夾角，平面控制點全站儀實測邊長與坐標反算邊長精度統計結果見表4，相鄰邊夾角檢測結果見表5。結果符合設計和相關規范的要求。

5 結語

GNSS首級平面控制網是地鐵施工的重要基礎，為地鐵施工建設指引方向，而控制網的精度直接影響車站施工的精度和盾構區間的順利貫通［15］。

本研究通過結合建設中的某市軌道交通四號線GNSS控制網的布測實踐，分析了地鐵GNSS控制網的技術要求、布設原則、外業數據采集、數據處理、質量檢驗等方法，得出以下結論：①采用GNSS靜態相對定位方法進行首級平面控制網的測量，可以提高控制網的測量精度和外業觀測效率。②采用框架網、線路網分級布設，可以保證控制網的觀測精度，該設計具有良好的經濟效益，可在類似工程控制網布測中推廣應用。

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