基于GNSS 的地铁延长线控制测量

童杨津,赵文峰*,余 兵

（深圳市长勘勘察设计有限公司,广东 深圳 518003）

引言

城市轨道交通是城市的重要组成部分,轨道交通线路数量是反映一个城市发达程度的重要指标。随着城市快速发展,新建轨道交通线路逐年递增,不同轨道交通线路的交叉衔接,同一线路的延长已成为轨道交通线路建设常态化情形,而基于GNSS 的控制测量是各城市轨道交通线路顺利衔接的有利保证。目前国内对城市轨道交通线路建设中的线路交叉、分期建设的线路衔接或换乘等情形下的GNSS（Global Navigation Satellite System,以下简称为GNSS）控制测量案例研究讨论较少[1-7],为适应城市轨道交通建设发展的需要,本研究以深圳地铁轨道交通3 号线东延段GNSS 控制测量为例,介绍了GNSS 控制网布设及施测、数据处理及精度分析等过程内容,对实施过程中的细节和关键问题进行了说明,并针对深圳地铁控制测量项目实施过程中亟需解决的问题,提出了相应建议及研究方向,为后续城市轨道交通线路控制测量项目的实施提供参考。

1 工程概况

深圳市地铁3 号线东延段位于深圳市龙岗区,起于既有双龙站站后, 终于六联站。线路全长约9.13 km,其中高架段长度为1.46 km,过渡段长度为0.45 km,地下段长度为7.22 km。共设车站7 座,梨园站为高架站,其余为地下站,其中换乘站1 座。最大站间距1.85 km（新生～坪西）,最小站间距0.85 km（双龙～梨园）,全线平均站间距1.31 km。本项目已由其他单位于2016 年进行了全线的控制测量,由于后期线路设计修改,重新进行了招投标。受城市更新影响,原3号线东延段控制点成果破坏严重,无法满足后续施工要求,需重新进行控制网的搭建。

2 GNSS 控制网布测

2.1 资料收集及现场踏勘

针对GNSS 控制网,共收集QS（点名以缩写字母代替）、DLG、HHD、QSA、DWL 等5 个城市Ⅱ等平面控制点成果、3 号线GNSS 控制点成果及原3 号线东延段GNSS 控制点成果。踏勘过程中发现DLG、QSA 及DWL 等点位周边有较茂盛的树木,观测前需对树木枝丫进行修理,3 号线可利用GNSS 控制点2 个（GPS17和GPS18）,原3 号线东延段可利用GNSS 控制点5 个（GPS01、GPS02、GPS07、GPS09 及GPS14）。

2.2 GNSS 控制网设计

GNSS 控制网设计过程中,在符合《城市轨道交通工程测量规范》（GB/T 50308-2017）[8](以下简称“规范”)要求的情况下,综合考虑工期、经济等因素,应尽量采用原有线路GNSS 控制点。选点时,宜先在地铁沿线地形图上进行初选,除考虑点位的通视情况、点间距离（除特殊情况,一般不小于800 m）及网型外,所选点位还需考虑地铁沿线房屋拆除情况、点位稳定性及是否方便精密导线测量等,且新布点宜设计多个备选位置。完成初选后,应现场确认点位是否符合上述各项要求,同时检查点位周边观测条件等。鉴于本线路为3 号线延长线路,在布设一等GNSS 控制网时需纳入3 号线衔接站GNSS 控制点。本项目GNSS 控制网分2 级布设,先布设平均间距约5 km 的一等GNSS控制网,然后在一等GNSS 控制网网下布设间距约2 km 的二等GNSS 控制网,其中一等GNSS 控制网共布设9 个点,二等GNSS 控制网共布设15 个控制点,具体详见图1、图2。

图1 一等GNSS 控制网布设图

图2 二等GNSS 控制网布设图

完成GNSS 控制网设计后,方案需进行专家论证,通过后才可进入下一环节。

2.3 埋石观测

为使点位能够长期保存,本项目新布GNSS 控制点点位均以楼顶标石的形式埋设。

外业观测中,采用GNSS 静态相对定位方法,以边连式与网连式相结合的图形布设形式进行观测[9],每一时段5 台GNSS 接收机同步作业,每站独立设站数≥2 次。每一时段观测时长,一等GNSS 控制网不少于120 min,二等GNSS 控制网不少于90 min,当同一时段中有观测条件较差的控制点时,该时段则尽量延长观测时间。

3 数据处理及精度分析

3.1 基线解算及检核

基线解算时,采用卫星广播星历,利用TBC V3.6软件进行处理,解算时保留合格基线,剔除粗差和病态卫星数据。

基线检核以复测基线长度较差和异步环各坐标分量及全长闭合差作为检核指标。复测基线长度较差分布统计中发现,≤1/2 限差内的一、二等GNSS 控制网的复测基线数占比分别为66.67%、81.25%,在1/2～1 倍限差内的一、二等GNSS 控制网的复测基线数占比分别为33.33%、18.75%。异步环闭合差反映了整个GNSS 控制网的外业观测质量和基线解算质量的可靠性,表1、表2 分别统计了一、二等GNSS 控制网异步环各坐标分量及全长闭合差分布情况。由表1 可知,一等GNSS 控制网异步环各坐标分量及全长闭合差在≤2/3 限差范围内的占比均达90%以上,而表2反映出二等GNSS 控制网中≤1/3 限差范围内的4 项闭合差占比均已达90%以上,其中Wz 和Ws 均达100%。

表1 一等GNSS 控制网异步环闭合差分布

表2 二等GNSS 控制网异步环闭合差分布

由上述统计数据知,二等GNSS 控制网内的基线解算质量优于一等GNSS 控制网。经分析,主要原因是一等GNSS 控制网内的点位大多处于山上,点位周边存在树木遮挡卫星信号,进而影响基线解算总体质量。

3.2 网平差及精度分析

经基线检核合格后,采用COSA GPS2000 Ver5.2进行网平差。

三维无约束平差中,一、二等GNSS 控制网均以控制点3G421 为起算点,在WGS-84 坐标系中进行三维无约束平差。二维约束平差时,为了保证起算数据的正确性,首先对5 个城市Ⅱ等平面控制点做了内部检核,通过选用DWL、HHD 和DLG 为起算点进行起算点间符合性比较,其中QS 和QSA 的检测值与原测值点位较差分别为20.0 mm、3.9 mm（限差为50 mm）,说明这5 个城市II 等控制点的符合性较好,可作为本项目一等GNSS 控制网的起算点。因此,以城市II 等控制点QS、QSA、DLG 及DWL 作为约束条件,对一等GNSS 控制网进行平差处理,二等GNSS 控制网则先选取一等GNSS 控制网计算的GPS17、GPS09 及3G421 等点成果作为约束条件进行网平差。经统计,一等GNSS 控制网中最弱点为ZD526,其点位中误差为±8.0 mm,最弱边为GPS09～3G421,其边长相对中误差为1/551000（限差为1/200000）,相邻点的最大相对点位中误差为±8.5 mm,限差为±20 mm。一、二等GNSS 控制网中延用3 号线点位的控制点GPS17 及GPS18,对其原测成果与本次测量成果作了检核,两点的点位较差分别为7.7 mm,11.7 mm,成果较差均满足规范要求,GPS17、GPS18 均采用原3 号线坐标成果。

为确保3 号线东延段与3 号线顺利衔接,最终以GPS17、GPS18、GPS09 和3G421 等四点作为起算点进行最终二等GNSS 控制网二维约束平差。经统计,控制网中最弱点为GPS14,其点位中误差为±4.3 mm,最弱边为3G423～GPS07,其边长相对中误差为 1/279000 （限差为1/100000）,相邻点的最大相对点位中误差为±4.6 mm,限差为±10 mm。一、二等GNSS 控制网中延用原3 号线东延段点位的控制点,对其原测成果与本次测量成果作了检核,见表3。

表3 原3 号线东延段GNSS 控制点成果检核

由表3 可知,表中5 个GNSS 控制点的两次成果较差ΔS 最小点为GPS14,ΔS 为3.6 mm,ΔS 最大点为GPS07,ΔS为11.8 mm,但其点位中误差Mp 仅为±3.0 mm。为验证成果的准确性,采用高精度全站仪Trimble S7 1″DR Plus 检查了GPS07～GPS09 边长,经气象、仪器加、乘常数改正以及高程归化和投影改化后,所得距离与本次GPS07、GPS09 测量成果的反算距离进行了比较,较差为0 mm,验证了本次测量成果准确、可靠。由于原3 号线东延段GNSS 控制点成果并未用于实际地铁建设,最终利用的原3 号线东延段5 个GNSS 控制点全部采用本次测量成果。

综上所述,本项目一、二等GNSS 控制网布设合理,成果可靠,满足规范要求。

4 结论与讨论

本研究以深圳地铁轨道交通3 号线东延段GNSS控制测量为例,介绍并总结了GNSS 控制网布测、数据处理及精度分析等环节的主要内容,结果表明该项目GNSS 控制网布设合理、成果可靠,满足规范要求,有效保证了地铁线路的顺利衔接。

通过实施的多个深圳市地铁GNSS 控制测量项目,总结了以下几点亟需解决的问题：一是深圳市城市II 控制点大多处于山顶或楼龄较老的楼房顶,点位周边存在较密的树木、通信设备、高压铁塔或新建高楼,卫星信号接收条件差；二是城市Ⅱ等控制点破坏严重,分布不均匀,尤其深圳市发展迅速的区域,部分线路周边无高等级起算点可用。针对上述情况,提出了如下建议：一是由深圳地铁集团立项,根据后续深圳市轨道交通发展规划进行一等全市轨道交通控制网的布测或商请市测绘行政主管部门进行深圳市Ⅱ等平面控制网的加密补测工作,以便满足后续深圳市轨道交通及重大工程建设的需要；二是结合现有城市II 平面控制点与“SZCORS”站点,建立GNSS 控制网进行联合平差解算,研究城市II 控制点与“SZCORS”站点成果间的符合性,在符合性较好的情况下,可通过“SZCORS”站点代替城市II 控制点的作用；三是针对信号条件差的起算点位,可通过采用多星系统GNSS接收机、增加观测时段及延长观测时间等措施,保证足够的多余观测数据,减少或避免内业处理误差超限引起的返工。