长沙市轨道交通1号线C级GPS网的建设

匡志威，刘鹏程，周晓卫，姜韶

(长沙市勘测设计研究院，湖南长沙 410007)

1 项目概述

长沙市轨道交通1号线起于汽车北站，沿芙蓉路由北向南，经由新河三角洲、五一广场、侯家塘、铁道学院、省政府新址，至终点站万家丽路站，线路全长23.891 km，设站20座，其中五一广场站为1、2号线换乘站;同时，该线路还与规划中的1A线交叉于新河三角洲站、与3号线交叉于侯家塘站、与4号线交叉于赤黄路站。该线路呈南北走向，与已开工建设的轨道交通2号线(东西走向)，形成长沙市轨道交通“十”字核心骨架网;项目建成后，能有效缓解长沙市的交通压力。本项目首级平面控制网按《城市轨道交通工程测量规范》GB/T 50308－2008、《全球定位系统(GPS)测量规范》GB/T 18314－2009的要求布设。本文着重介绍此网的建立。

2 方案设计

2.1 技术标准

GPS控制网主要技术指标［1］表1

2.2 设计原则

(1)沿线路布设原则:GPS控制网网点要沿线路布设，呈带状分布，每个车站附近尽量设计一个点，各点要布设在地铁施工影响区域之外;

(2)便于使用原则:GPS控制网是四等精密导线网的起算网，各点要便于四等精密导线网的使用;四等精密导线网施测中，需要设站的GPS控制网点，必须要有两个以上的通视方向;

(3)承前续后原则:为保证各条线路之间的有效衔接，要充分利用已有线路的GPS控制网点;同时，在与规划线路交叉区域，布设的网点要便于后续规划线路的使用;

(4)费用最省原则:在保证精度和使用的前提下，尽量减少网点的数量;做到疏密结合，主城区缩短点间距离，其他区域可适当放大点间距离。

2.3 设计基准

GPS控制网采用长沙独立坐标系;为便于地铁施工，在目前城市高程投影面及地铁施工高程投影面上，各平差计算出一套坐标成果。

2.4 网形设计

本项目的GPS控制网共由25点组成，19个为楼顶点，1个为地面埋石点，1个为基岩水准共用点，利用2号线一期工程GPS控制网点4点;起算数据采用长株潭GNSS连续运行参考站系统的CSKC基站点及2个2 050框架网点，均为B级GPS点;图1为1号线一期工程GPS控制网略图。

3 施测

3.1 埋石

地面点采用普通地面标石，现场挖坑浇注;基岩水准共用点采用机钻方式埋设至基岩内 50 cm(见图2);楼顶点采用高约1 200 mm的圆柱型钢标或三角型钢标(图3)，埋设时充分考虑了稳定性、楼顶防水、防雷及钢标防锈等因素的影响。

图1 1号线一期工程C级GPS网

图2 基岩点示意图

图3 楼顶点示意图

3.2 外业观测

外业采用2台Z－X型双频接收机、2台Javad Maxor型双频接收机、4台Z－Max型双频接收机，接收机标称精度均优于10 mm+2 ppm;采用连续观测方式，每天各测站同步观测时间不少于6 h，然后切分成两个同步观测时间为3 h的同步环进行处理;外业共观测5天，形成10个同步观测环。由于CSKC基站点能提供全时段采样率为1 s的观测数据，因此该基站点相当于与其他各点均进行了全时段的联测，有效提高了该网的稳定性、可靠性及观测精度。

4 数据处理

4.1 基线解算

基线处理采用Ashtech Solutions 2.60在WGS－84坐标系中进行处理，项目水平期望精度设置为0.005 m+1 ppm，垂直期望精度设置为 0.01 m+1 ppm，置信度采用标准误差;各同步环单独进行处理，剔除误差较大的基线后共获取基线236条。

4.2 重复基线及闭合环分析

重复基线较差及闭合环闭合差是反应观测精度的重要指标，通过分析这两项指标，以剔除误差影响较大的基线。经统计，最终参与平差的基线中，共有105条重复基线，最大较差为10.4 mm，限差为70.3 mm;共统计87个三角闭合环，最大闭合差为10.3 mm，限差为326.6 mm。图4为重复基线较差分布图，图5为闭合环闭合差分布图。从图4、图5可以看出，基线内符合精度较高。

4.4 平差计算

平差计算采用Cosa平差软件进行处理。在WGS－84坐标系统下，按C级GPS网精度要求，固定CSKC参考站点，进行三维网平差;通过分析三维网平差结果，剔除粗差及误差较大的基线，并优化平差基线网形结构。三维网平差最弱点为暮云，距固定点CSKC最远，点位中误差为4.9 mm;最弱边为湘江世纪—金霞小区，空间距离610.267 m，相对中误差为1/1 141 000;基线残差分布图如图6。从平差结果可以看出，外业观测及基线处理精度较高，整网内符合精度高。

在长沙独立坐标系下，固定3个B级GPS点(金霞立交、CSKC、暮云)进行二维网约束平差;最弱点为橘郡，点位中误差为1.8 mm;最弱边为湘江世纪—金霞小区，平面距离 603.793 7 m，相对中误差为1/1 231 000;基线残差分布图如图7。从平差结果可以看出，本控制网外符合精度高。

图4 重复基线较差分布图

图5 闭合环闭合差分布图

图6 三维网平差基线残差分布图

图7 二维约束平差基线残差分布图

4.5 重合点比较

轨道交通1号线一期工程GPS控制网与轨道交通2号线一期工程GPS控制网共重合4点。从表2的对比数据可以看出，重合点较差均优于表1中的要求。虽然两条线路控制网均起算于2 050框架网，但2号线一期工程呈东西走向、1号线一期工程呈南北走向，其控制网的起算数据也分别呈东西、南北走向，因而会对两次测量结果有一定影响。

重合点信息表表2

4.6 全站仪检核测量

在四等精密导线网的观测中，利用索佳Net05型自动化全站仪(检测精度:测距 2 mm+2 ppm，测角0.5″)对该网进行了检核测量;距离采用自动测量模式，共测边7条;角度测量采用自动测量模式和人工测量模式，共测角14个。

边长测量结果 表3

角度测量结果 表4

从表3和表4中的数据可以看出，采用GPS测量技术和全站仪测量技术，两者测量的结果吻合，说明本网测量结果可靠，测量精度高。

5 结论及体会

长沙市轨道交通1号线一期工程GPS网网形设计合理，控制点埋石稳定，观测及平差结果精度高，各项指标均优于规范要求，能满足轨道交通1号线一期工程各设施、各阶段施工的要求。在本次控制网的施测中，有以下几点体会:

(1)控制点的埋设中，相比普通标石，强制对中三角/圆柱钢架，尽管费用稍高，但在点位稳定性、使用的便捷性方面优势明显，同时可消除对中误差;

(2)针对城市繁华地区交通不便、搬站效率低的特点，采用3.2中的外业观测及数据处理方式，可兼顾作业效率、作业强度及观测精度;

(3)在三维网平差中，固定一个点进行平差，根据测量平差理论知，点位中误差与距离成正比，即离固定点越远，点位中误差越大。可根据这一规律，对各点点位中误差进行分析，进而剔除误差大的基线，优化参与平差的基线网;

(4)要充分利用项目附近的GPS卫星观测基站，因为GPS卫星观测基站具有高精度三维坐标，可作为控制网的高精度起算数据;另外，GPS卫星观测基站能提供连续的高精度观测数据，相当于与其他各点均进行了全时段的联测，有效地提高了控制网的稳定性、可靠性及观测精度。

［1］GB/T 50308－2008.城市轨道交通工程测量规范［S］.

［2］GB/T 18314－2001.全球定位系统(GPS)测量规范［S］.

［3］黄北新，付先国，王林等.合肥轨道交通1号线GPS控制网建立［J］.城市勘测，2010(4).

［4］史秀保，袁峥.宁波轨道交通l号线一期工程GPS控制网建立及精度分析［J］.城市勘测，2009(4).

［5］GPS工程测量网通用平差软件包(CosaGPS V5.1)使用说明书［R］.2007.