基于GNSS 的地鐵延長(zhǎng)線控制測(cè)量

童楊津,趙文峰*,余 兵

（深圳市長(zhǎng)勘勘察設(shè)計(jì)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(shù)量是反映一個(gè)城市發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)。隨著城市快速發(fā)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(zhǎng)已成為軌道交通線路建設(shè)常態(tài)化情形,而基于GNSS 的控制測(cè)量是各城市軌道交通線路順利銜接的有利保證。目前國(guó)內(nèi)對(duì)城市軌道交通線路建設(shè)中的線路交叉、分期建設(shè)的線路銜接或換乘等情形下的GNSS（Global Navigation Satellite System,以下簡(jiǎn)稱為GNSS）控制測(cè)量案例研究討論較少[1-7],為適應(yīng)城市軌道交通建設(shè)發(fā)展的需要,本研究以深圳地鐵軌道交通3 號(hào)線東延段GNSS 控制測(cè)量為例,介紹了GNSS 控制網(wǎng)布設(shè)及施測(cè)、數(shù)據(jù)處理及精度分析等過程內(nèi)容,對(duì)實(shí)施過程中的細(xì)節(jié)和關(guān)鍵問題進(jìn)行了說明,并針對(duì)深圳地鐵控制測(cè)量項(xiàng)目實(shí)施過程中亟需解決的問題,提出了相應(yīng)建議及研究方向,為后續(xù)城市軌道交通線路控制測(cè)量項(xiàng)目的實(shí)施提供參考。

1 工程概況

深圳市地鐵3 號(hào)線東延段位于深圳市龍崗區(qū),起于既有雙龍站站后, 終于六聯(lián)站。線路全長(zhǎng)約9.13 km,其中高架段長(zhǎng)度為1.46 km,過渡段長(zhǎng)度為0.45 km,地下段長(zhǎng)度為7.22 km。共設(shè)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(xiàng)目已由其他單位于2016 年進(jìn)行了全線的控制測(cè)量,由于后期線路設(shè)計(jì)修改,重新進(jìn)行了招投標(biāo)。受城市更新影響,原3號(hào)線東延段控制點(diǎn)成果破壞嚴(yán)重,無法滿足后續(xù)施工要求,需重新進(jìn)行控制網(wǎng)的搭建。

2 GNSS 控制網(wǎng)布測(cè)

2.1 資料收集及現(xiàn)場(chǎng)踏勘

針對(duì)GNSS 控制網(wǎng),共收集QS（點(diǎn)名以縮寫字母代替）、DLG、HHD、QSA、DWL 等5 個(gè)城市Ⅱ等平面控制點(diǎn)成果、3 號(hào)線GNSS 控制點(diǎn)成果及原3 號(hào)線東延段GNSS 控制點(diǎn)成果。踏勘過程中發(fā)現(xiàn)DLG、QSA 及DWL 等點(diǎn)位周邊有較茂盛的樹木,觀測(cè)前需對(duì)樹木枝丫進(jìn)行修理,3 號(hào)線可利用GNSS 控制點(diǎn)2 個(gè)（GPS17和GPS18）,原3 號(hào)線東延段可利用GNSS 控制點(diǎn)5 個(gè)（GPS01、GPS02、GPS07、GPS09 及GPS14）。

2.2 GNSS 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

GNSS 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中,在符合《城市軌道交通工程測(cè)量規(guī)范》（GB/T 50308-2017）[8](以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)要求的情況下,綜合考慮工期、經(jīng)濟(jì)等因素,應(yīng)盡量采用原有線路GNSS 控制點(diǎn)。選點(diǎn)時(shí),宜先在地鐵沿線地形圖上進(jìn)行初選,除考慮點(diǎn)位的通視情況、點(diǎn)間距離（除特殊情況,一般不小于800 m）及網(wǎng)型外,所選點(diǎn)位還需考慮地鐵沿線房屋拆除情況、點(diǎn)位穩(wěn)定性及是否方便精密導(dǎo)線測(cè)量等,且新布點(diǎn)宜設(shè)計(jì)多個(gè)備選位置。完成初選后,應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)點(diǎn)位是否符合上述各項(xiàng)要求,同時(shí)檢查點(diǎn)位周邊觀測(cè)條件等。鑒于本線路為3 號(hào)線延長(zhǎng)線路,在布設(shè)一等GNSS 控制網(wǎng)時(shí)需納入3 號(hào)線銜接站GNSS 控制點(diǎn)。本項(xiàng)目GNSS 控制網(wǎng)分2 級(jí)布設(shè),先布設(shè)平均間距約5 km 的一等GNSS控制網(wǎng),然后在一等GNSS 控制網(wǎng)網(wǎng)下布設(shè)間距約2 km 的二等GNSS 控制網(wǎng),其中一等GNSS 控制網(wǎng)共布設(shè)9 個(gè)點(diǎn),二等GNSS 控制網(wǎng)共布設(shè)15 個(gè)控制點(diǎn),具體詳見圖1、圖2。

圖1 一等GNSS 控制網(wǎng)布設(shè)圖

圖2 二等GNSS 控制網(wǎng)布設(shè)圖

完成GNSS 控制網(wǎng)設(shè)計(jì)后,方案需進(jìn)行專家論證,通過后才可進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

2.3 埋石觀測(cè)

為使點(diǎn)位能夠長(zhǎng)期保存,本項(xiàng)目新布GNSS 控制點(diǎn)點(diǎn)位均以樓頂標(biāo)石的形式埋設(shè)。

外業(yè)觀測(cè)中,采用GNSS 靜態(tài)相對(duì)定位方法,以邊連式與網(wǎng)連式相結(jié)合的圖形布設(shè)形式進(jìn)行觀測(cè)[9],每一時(shí)段5 臺(tái)GNSS 接收機(jī)同步作業(yè),每站獨(dú)立設(shè)站數(shù)≥2 次。每一時(shí)段觀測(cè)時(shí)長(zhǎng),一等GNSS 控制網(wǎng)不少于120 min,二等GNSS 控制網(wǎng)不少于90 min,當(dāng)同一時(shí)段中有觀測(cè)條件較差的控制點(diǎn)時(shí),該時(shí)段則盡量延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。

3 數(shù)據(jù)處理及精度分析

3.1 基線解算及檢核

基線解算時(shí),采用衛(wèi)星廣播星歷,利用TBC V3.6軟件進(jìn)行處理,解算時(shí)保留合格基線,剔除粗差和病態(tài)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

基線檢核以復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差和異步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長(zhǎng)閉合差作為檢核指標(biāo)。復(fù)測(cè)基線長(zhǎng)度較差分布統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn),≤1/2 限差內(nèi)的一、二等GNSS 控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)基線數(shù)占比分別為66.67%、81.25%,在1/2～1 倍限差內(nèi)的一、二等GNSS 控制網(wǎng)的復(fù)測(cè)基線數(shù)占比分別為33.33%、18.75%。異步環(huán)閉合差反映了整個(gè)GNSS 控制網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量和基線解算質(zhì)量的可靠性,表1、表2 分別統(tǒng)計(jì)了一、二等GNSS 控制網(wǎng)異步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長(zhǎng)閉合差分布情況。由表1 可知,一等GNSS 控制網(wǎng)異步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長(zhǎng)閉合差在≤2/3 限差范圍內(nèi)的占比均達(dá)90%以上,而表2反映出二等GNSS 控制網(wǎng)中≤1/3 限差范圍內(nèi)的4 項(xiàng)閉合差占比均已達(dá)90%以上,其中Wz 和Ws 均達(dá)100%。

表1 一等GNSS 控制網(wǎng)異步環(huán)閉合差分布

表2 二等GNSS 控制網(wǎng)異步環(huán)閉合差分布

由上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)知,二等GNSS 控制網(wǎng)內(nèi)的基線解算質(zhì)量?jī)?yōu)于一等GNSS 控制網(wǎng)。經(jīng)分析,主要原因是一等GNSS 控制網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)位大多處于山上,點(diǎn)位周邊存在樹木遮擋衛(wèi)星信號(hào),進(jìn)而影響基線解算總體質(zhì)量。

3.2 網(wǎng)平差及精度分析

經(jīng)基線檢核合格后,采用COSA GPS2000 Ver5.2進(jìn)行網(wǎng)平差。

三維無約束平差中,一、二等GNSS 控制網(wǎng)均以控制點(diǎn)3G421 為起算點(diǎn),在WGS-84 坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差。二維約束平差時(shí),為了保證起算數(shù)據(jù)的正確性,首先對(duì)5 個(gè)城市Ⅱ等平面控制點(diǎn)做了內(nèi)部檢核,通過選用DWL、HHD 和DLG 為起算點(diǎn)進(jìn)行起算點(diǎn)間符合性比較,其中QS 和QSA 的檢測(cè)值與原測(cè)值點(diǎn)位較差分別為20.0 mm、3.9 mm（限差為50 mm）,說明這5 個(gè)城市II 等控制點(diǎn)的符合性較好,可作為本項(xiàng)目一等GNSS 控制網(wǎng)的起算點(diǎn)。因此,以城市II 等控制點(diǎn)QS、QSA、DLG 及DWL 作為約束條件,對(duì)一等GNSS 控制網(wǎng)進(jìn)行平差處理,二等GNSS 控制網(wǎng)則先選取一等GNSS 控制網(wǎng)計(jì)算的GPS17、GPS09 及3G421 等點(diǎn)成果作為約束條件進(jìn)行網(wǎng)平差。經(jīng)統(tǒng)計(jì),一等GNSS 控制網(wǎng)中最弱點(diǎn)為ZD526,其點(diǎn)位中誤差為±8.0 mm,最弱邊為GPS09～3G421,其邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為1/551000（限差為1/200000）,相鄰點(diǎn)的最大相對(duì)點(diǎn)位中誤差為±8.5 mm,限差為±20 mm。一、二等GNSS 控制網(wǎng)中延用3 號(hào)線點(diǎn)位的控制點(diǎn)GPS17 及GPS18,對(duì)其原測(cè)成果與本次測(cè)量成果作了檢核,兩點(diǎn)的點(diǎn)位較差分別為7.7 mm,11.7 mm,成果較差均滿足規(guī)范要求,GPS17、GPS18 均采用原3 號(hào)線坐標(biāo)成果。

為確保3 號(hào)線東延段與3 號(hào)線順利銜接,最終以GPS17、GPS18、GPS09 和3G421 等四點(diǎn)作為起算點(diǎn)進(jìn)行最終二等GNSS 控制網(wǎng)二維約束平差。經(jīng)統(tǒng)計(jì),控制網(wǎng)中最弱點(diǎn)為GPS14,其點(diǎn)位中誤差為±4.3 mm,最弱邊為3G423～GPS07,其邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差為 1/279000 （限差為1/100000）,相鄰點(diǎn)的最大相對(duì)點(diǎn)位中誤差為±4.6 mm,限差為±10 mm。一、二等GNSS 控制網(wǎng)中延用原3 號(hào)線東延段點(diǎn)位的控制點(diǎn),對(duì)其原測(cè)成果與本次測(cè)量成果作了檢核,見表3。

表3 原3 號(hào)線東延段GNSS 控制點(diǎn)成果檢核

由表3 可知,表中5 個(gè)GNSS 控制點(diǎn)的兩次成果較差ΔS 最小點(diǎn)為GPS14,ΔS 為3.6 mm,ΔS 最大點(diǎn)為GPS07,ΔS為11.8 mm,但其點(diǎn)位中誤差Mp 僅為±3.0 mm。為驗(yàn)證成果的準(zhǔn)確性,采用高精度全站儀Trimble S7 1″DR Plus 檢查了GPS07～GPS09 邊長(zhǎng),經(jīng)氣象、儀器加、乘常數(shù)改正以及高程歸化和投影改化后,所得距離與本次GPS07、GPS09 測(cè)量成果的反算距離進(jìn)行了比較,較差為0 mm,驗(yàn)證了本次測(cè)量成果準(zhǔn)確、可靠。由于原3 號(hào)線東延段GNSS 控制點(diǎn)成果并未用于實(shí)際地鐵建設(shè),最終利用的原3 號(hào)線東延段5 個(gè)GNSS 控制點(diǎn)全部采用本次測(cè)量成果。

綜上所述,本項(xiàng)目一、二等GNSS 控制網(wǎng)布設(shè)合理,成果可靠,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與討論

本研究以深圳地鐵軌道交通3 號(hào)線東延段GNSS控制測(cè)量為例,介紹并總結(jié)了GNSS 控制網(wǎng)布測(cè)、數(shù)據(jù)處理及精度分析等環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容,結(jié)果表明該項(xiàng)目GNSS 控制網(wǎng)布設(shè)合理、成果可靠,滿足規(guī)范要求,有效保證了地鐵線路的順利銜接。

通過實(shí)施的多個(gè)深圳市地鐵GNSS 控制測(cè)量項(xiàng)目,總結(jié)了以下幾點(diǎn)亟需解決的問題：一是深圳市城市II 控制點(diǎn)大多處于山頂或樓齡較老的樓房頂,點(diǎn)位周邊存在較密的樹木、通信設(shè)備、高壓鐵塔或新建高樓,衛(wèi)星信號(hào)接收條件差；二是城市Ⅱ等控制點(diǎn)破壞嚴(yán)重,分布不均勻,尤其深圳市發(fā)展迅速的區(qū)域,部分線路周邊無高等級(jí)起算點(diǎn)可用。針對(duì)上述情況,提出了如下建議：一是由深圳地鐵集團(tuán)立項(xiàng),根據(jù)后續(xù)深圳市軌道交通發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行一等全市軌道交通控制網(wǎng)的布測(cè)或商請(qǐng)市測(cè)繪行政主管部門進(jìn)行深圳市Ⅱ等平面控制網(wǎng)的加密補(bǔ)測(cè)工作,以便滿足后續(xù)深圳市軌道交通及重大工程建設(shè)的需要；二是結(jié)合現(xiàn)有城市II 平面控制點(diǎn)與“SZCORS”站點(diǎn),建立GNSS 控制網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合平差解算,研究城市II 控制點(diǎn)與“SZCORS”站點(diǎn)成果間的符合性,在符合性較好的情況下,可通過“SZCORS”站點(diǎn)代替城市II 控制點(diǎn)的作用；三是針對(duì)信號(hào)條件差的起算點(diǎn)位,可通過采用多星系統(tǒng)GNSS接收機(jī)、增加觀測(cè)時(shí)段及延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間等措施,保證足夠的多余觀測(cè)數(shù)據(jù),減少或避免內(nèi)業(yè)處理誤差超限引起的返工。