沈阳市地铁二号线GPS控制网的建立与数据处理①

邰 贺

（沈阳市勘察测绘研究院，辽宁 沈阳110004）

0 引 言

地铁二号线北延工程是沈阳市快速轨道交通线网规划中二号线的北段，线路总长度约11km，全线采用地下线形式，初步预计设置7座车站。其建成后将极大地带动沈北新区的发展，并实现沈北新区与母城无缝衔接。

作为工程的前期准备，2010年3月沈阳市勘察测绘研究院承担了地铁二号线北沿工程GPS控制网的布设和数据处理工作 ，全部工作历时一个星期完成。地铁二号线工程建设指挥部对该网同时进行了复测。

1 已有控制资料

沈阳市于1998－1999年布设过二等GPS控制网，平面精度、边长相对中误差平均值为1：112万，最弱边中误差1：70万，最大点位误差为2.2 cm，平均值为1.2cm.最大方位角中误差为0.55″，平均为0.29″，精度良好。经过可靠性分析，选择该网中的4个控制点位作为本次地铁GPS控制网的起算数据，这些控制点均具有北京54坐标。本次控制网的平面基准选为北京54基准。

1.1 设备准备

本次工程采用6台美国Ashtech公司生产的Z－Xtreme型双频GPS接收机，其标称精度为：平面：5mm＋1ppm·D；垂直：10mm＋1ppm·D.所有仪器经辽宁省测绘仪器计量站检定合格。

1.2 图形设计

本次GPS平面控制网在城市二等GPS网框架下布设，该网沿地铁二号北延长线线路布设，采用边连式。新选GPS控制点10个，点位选择的原则如下

1）所有点位应有利于安全作业，便于安置接收设备和操作，被测卫星的地平高度角应大于15°。

2）所有点位应远离大功率无线电发射源，远离高压输电线距离不宜小于50m，附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体。

3）所有点位在市区内主要选在变形区外已经稳定的高层建筑物楼顶上，距地铁线路的距离在150m以上，但不要选在危房或近期内需动迁的楼房上。

4）考虑到精密导线点的布设全在楼顶，所选GPS点要尽量选在车站附近，以提高利用率。

5）保证地铁沿线每个GPS点至少有二个通视方向（可与精密导线点通视，包括线路两端预留方向）。

点位分布图如图1所示。

按照规范中的标石埋设要求，在建筑物楼顶，用工具将楼顶刨至楼板（预制板），用射钉枪在楼板上钉5个以上射钉，将预制的墩标（1.0m×0.4m×0.4m满足强制对中要求）整平，现场进行混凝土浇制（水泥与砂子比例为1：2.5），埋设对中标志，做好防水。

图1 点位分布图

2 外业观测

设计采用6台接收机同步观测，共设计4个时段。重复上站率达到1.7，整网可靠性指标达到0.35.观测时按如下要求进行［1]：

①天线安置必须严格对中、整平，对点中误差小于1mm，并使定向标志指向磁北。历元间隔15 s，卫星截止高度角15°，同步时段观测时间为60 min［2].②在天线板上互隔120°的三处量取天线高，互差小于3mm，取中数。③点位几何图形强度因子PDOP≤6.④详细认真记录外业观测手簿。

3 数据处理

1）数据预处理

预处理阶段，主要是对观测数据的质量进行分析，同时确定点位命名、改化天线高、数据格式转换等。在数据编辑软件中，更改文件命名为本次技术要求的命名方式，更改天线高为标准ARP垂高模式，并选中天线改正模型。填写好数据的元数据信息，并采用格式转换模块统一转换为Rinex V2.0格式。

数据质量分析采用teqc软件，分析每个观测点位的双频多路径效应以及数据可利用率等情况。经检验，所有点位平均MP1，MP2均在0.5以下，数据可利用率均操作80%，结果样例如图2所示。

2）基线解算

图2 teqc检验观测文件质量样例

采用随机软件Ashtech Solution V2.7进行基线处理，处理时采用广播星历进行处理，天线改正模型采用NGS标准改正模型。要求基线全部在双频固定状态下解算出来［3]。个别有问题基线，分析原因并采取相应处理措施，直至达到要求。全网共52条基线，全部双频固定状态解算完毕。

3）质量分析

质量检查主要包括三个方面：重复基线闭合差、同步环闭合差以及异步环闭合差。计算是依据《全球定位系统（GPS）测量规范GB／T18314－2009》相应公式。

全网共有重复基线8条，重复基线闭合差最大为0.010m，限差为0.035m，基线长为7 366.621 m。全网共选择最简同步环20个，闭合差最大值为0.005m，限差为0.008m，环长为16 608.21 m.全网共选择最简异步环20个，闭合差最大值为0.021m，限差为0.086，环长为7 502.593m.

4）三维无约束平差

基线解算指标顺利通过后转入三维无约束平差，主要目的是进行粗差分析并消除不良影响、调整观测量的协方差因子使其与实际精度相匹配、对整网的内部精度进行检验和评估［4]。平差基准为WGS－84，固定位于本网中心的测站0224为约束点。通过三维无约束平差，基线向量改正数中，最大的为0.009m，限差为0.037m.最弱边相对中误差为1：187949，限差为1：90000.

5）二维约束平差

二维约束平差目的是将全网重新作整体平差，将所有独立基线向量及其经调整后的协方差阵作为观测量进行高斯平面上的解算［5]。平差时为消除星历和网的传递误差引起的整网在尺度和方向上的系统性偏差，应对全面网加入一个尺度和三个转换参数。

本网设计时充分考虑了已知点位之间的兼容性问题，根据整个工程的走向以及观测难度等，选择3个控制点作为约束，选择另外一个作为检查点。经过平差，最弱点点位中误差为0.009m，限差为0.036m；检查点计算值与已知值互差X方向为0.003m，Y 方向为0.010m，点位中误差为0.011m，限差为0.025m.

4 结 论

沈阳市地铁二号线北延长线首级GPS平面控制网平均边长3.9km，二维约束平差后其最大点位中误差为0.9cm，最弱边相对中误差为水平：1：187949，所有技术指标均满足设计要求。地铁指挥部的复测结果与本次解算的结果接近，互差满足限差要求，充分说明了本次GPS控制网的布设以及数据解算过程规范且高精度，为日后地铁的施工控制奠定了良好的基础。

［1]北京市测绘设计研究院.CJJ73－97全球定位系统城市测量技术规程 ［M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

［2]谢劭锋，王新桥.工程控制网必要观测时间探讨［J].全球定位系统，2007，33（4）：30－32.

［3]刘大杰，施一民，过静珺.全球定位系统的原理与数据处理［M].上海：同济大学出版社1996.

［4]中国国家标准化管理委员会.全球定位系统（GPS）测量规范 GB／T18314－2009［R].中国标准出版社，2009.

［5]刘国深，詹锦祥.城市平面坐标系与GPS二维约束的参数问题讨论［J].全球定位系统，2007，33（3）：30－34.