福州地铁5号线一期工程卫星定位控制网的建立及精度分析

林万荣

(福州市勘测院 福建福州 350003)

0 引言

福州地铁5号线一期工程是福州地铁网络的主要线路，线路起于闽侯县荆溪新城，终于福州火车南站，主要线路沿洪甘路-下穿闽江-上下店路-闽江大道-建新北路-金亭路-金洲北路-金洲南路-盘屿路-义序路-规划艾默生路-规划欢乐谷-规划螺福路-福峡路-环岛快速路-福州南站。线路全长约27.3 km，共设20座车站，平均站间距1.44 km。线路经过新旧城区，建筑密集、交通繁忙、周围环境复杂，给平面和高程控制网的布设及观测带来很大困难；同时，市政道路维修、改造频繁，给控制点长久保存造成不少困难。

为便于福州地铁5号线一期工程施工，保障该地铁工程施工质量，该期工程建立了卫星定位控制网。基此，本文介绍其卫星定位控制网的布设，及其施测，探析其数据处理及其成果精度，以期为后续工程提供借鉴。

1 卫星定位控制网布设

控制网布设是否合理，一定程度上影响控制点的精度。根据相关规范要求：控制点之间要相互通视、点位周边观测条件要理想、垂直角不能超过30°等。此外，由于该工程沿线建筑物密集，高层建筑物较多等因素给卫星定位选点工作带来一定困难。鉴此，该工程卫星定位采取多种手段，合理布设控制点，优化控制网[1]：如减少路面上点位，尽可能选择通视条件较好的建筑物上。内业根据最新航拍的影像初步选取点位，外业现场踏勘点位周边环境，并架设仪器检查前后视距、俯仰角等相关精度指标。同时，为了满足车站开挖施工要求，在每一车站附近均布设有平面控制点，且至少有一个点能够直接进行控制，提高施工测量精度[2]。

该工程卫星定位控制网，共由65个控制点组成：新埋设点43个(2个为不锈钢屋面埋石、其余为强制对中混凝土观测墩)，重复利用地铁1号线卫星定位控制点3个、2号线卫星定位控制点3个、6号线卫星定位控制点3个，联测已有城市控制点7个、起算点6个，如图1所示。

图1 福州地铁5号线一期工程卫星定位控制网图

因此，该项目卫星定位控制网具有以下几方面特点：

(1)6个起算控制点分布在卫星定位控制网边缘，能很好控制和保证整个网的精度，位置分布合理；

(2)联测1号线平面控制点3个、2号线平面控制点3个、6号线平面控制点3个，确保了与其他轨道交通线工程控制网的统一性；

(3)车站附近均布设不少于2个控制点，且至少1个能俯视车站位置，便于施工使用；

(4)GPS点位观测环境条件比较理想；相邻点平均边长1195.69 m；

(5)闭合环边数较少，并且全部采用异步环构成，网形强度较好。

2 卫星定位控制网施测

为了提高整网测量精度，采用边连接方式进行多时段观测。为了确保观测数据的准确性、可靠性，采用8台天宝R4双频测量型GPS接收机每个时段观测时间长均大于2 h；采样率为10 s；高度角为15°；实际重复设站率3.1；可观测25个时段(其中包含补测2个时段)。同时，在外业观测作业之前，对GPS接收机、天线、基座等设备进行全面检验，经检验接收机各项指标均满足相关规范要求，可以使用，并按照GPS测量相关规范实施外业测量。

3 数据处理

3.1 数据预处理

预处理阶段，主要对外业采集的数据做初步整理及分析等，为后续工作提供基础，主要包含数据的传输、格式的统一、粗差剔除等内容。采用相应的数据传输软件，将观测数据导出并转换为标准数据格式RINEX，同时确定点位名称、天线高改正。

利用TEQC软件，分析每个测站、每个观测时段的开始时间、结束时间、观测时间、采样间隔、数据有效利用率、多路径效应、周跳等数据质量。经检查，所有点位评价MP1、MP2均在0.5以下，数据可利用率均大于86%。

3.2 基线解算

基线解算，采用Trimble公司的GPS精密静态数据处理软件TBC(Trimble Business Center)。为了提高基线解算精度，星历采用精密星历，基线全部双频固定解，重复基线较差全部满足规范要求。此外，对个别周跳较多的数据，采取卫星删除或分时间段处理的方法进行基线解算，直至满足规范要求。174条独立基线解算全部通过，基线解算结果中最大PDOP值均小于6，RMS均小于0.03m(表1)。

表1 基线解算精度统计一览表

3.3 网平差

3.3.1起算点稳定性和兼容性分析

为了保证全网平差基准的一致性，以及与在建不同线路之间的衔接，在进行GPS控制网平差前，对起算点的稳定性和兼容性进行分析[3-5]。福州地铁5号线卫星定位控制网起算点，采用分布于网周边的6个起算点：CHAN、RUAN、HT、YT、163P、SD。为了全面合理地评价起算点，利用加点法分4个方案进行检验，检验结果如表2所示。

表2 起算点稳定性、兼容性分析表 mm

由表2可知，4种方案点位误差均为毫米级，最大点位误差为0.51 mm，最小点位误差为0.37 mm；与已知坐标成果较差最大值为13.0 mm，最小值为1.4 mm；各点检核较差均满足规范规定的限差要求，稳定性、兼容性较好，可靠性较强，可以作为该工程起算数据使用。

3.3.2平差计算

平差计算采用武汉大学测绘学院的“地面测量工程控制测量数据处理软件包CosaGPS Ver5.21”进行平差计算。将全部独立基线构成闭合图形，以三维基线向量及其相应方差-协方差阵作为观测信息，以CHAN点在WGS-84坐标系下的三维坐标为起算数据，在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差，并提供WGS-84坐标系的三维坐标、坐标差观测值的总改正数、基线边长及点位的精度信息。若出现环闭合差超限、重复基线较差超限等情况，则重新处理，直至所有指标符合相关规范要求后再进行二维约束平差。考虑到起算点均匀分布网周边及今后其他轨道线路平面控制测量的衔接，在福州城市地方平面直角坐标系中，以YT、HT、163P、SD、CHAN、RUAN(共6点)全部参与约束，进行二维约束平差，计算卫星定位控制点的福州城市地方平面直角坐标。

3.3.3精度分析

通过对选取的174条独立基线进行平差计算，获取93个异步环。表3为所有异步环闭合差中最大值、最小值统计表如表3所示。

表3 异步环闭合差精度统计表

在进行三维平差、二维平差后获得各点点位中误差，如图2所示的三维平差各点点位中误差，其中最弱点位中误差为3.69 cm。如图3所示的二维平差各点点位中误差，其中最弱点位中误差为0.41 cm；控制网解算精度统计如表4所示。

图2 三维平差点位误差曲线图

图3 二维平差点位误差曲线图

表4 控制网解算精度统计表

综上分析可知，43个新布设点位精度均满足相关规范要求，可以提供给施工单位作业使用。

4 复测成果精度分析

表5 历年复测情况精度统计表

图4 点位较差分布情况统计图

图5 控制点历年复测成果统计图

5 结语

通过对福州地铁5号线一期工程卫星定位控制网的布设过程、施测技术要求、数据处理流程以及精度指标统计分析等各个环节的介绍，得出了新布设的控制点成果各项指标满足相关规范要求，可以提供给施工单位作业使用。同时，通过比较、分析历年控制网复测情况，进一步验证了控制点比较稳定、控制网整体精度高，为地铁的精密施工提供了可靠的基础数据。该项目的实施可以为国内其他同类工程控制网的建立提供参考：

(1)优化布设控制网：根据线路走向，利用最新影像数据，结合现场实际情况，合理选择点位，优化布设控制网。

(2)采用强制观测墩：有条件的情况下，点位埋设尽可能采用强制观测墩，以便减少外业观测时仪器对中误差、天线高量取误差等人为误差。

(3)做好数据预处理：提前做好控制网平差前数据预处理准备工作，如检查观测数据有效利用率、多路径效应、周跳等质量。

(4)合理选取起算点：根据控制点分布情况，均匀选取其周边等级高、稳定性好、兼容性强的起算点，以避免因起算点问题影响控制点解算精度。