长距离跨海地铁隧道高精度空间基准建立及探讨

王智，刘宝华，张洪德，胡玉祥，孟庆年

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

长距离跨海地铁隧道高精度空间基准建立及探讨

王智*，刘宝华，张洪德，胡玉祥，孟庆年

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032)

青岛地铁1号线是国内首条跨海地铁线路，全长 59.9 km，其中过海隧道区间长达 8.1 km。为充分保证与已建及规划中的地铁线路衔接，提出以QDCORS作为GNSS控制网的起算基准，将Gamit与LGO两种软件解算的基线分别定权，改进了平差算法，优化精密导线网布设方案，保证地面有两个起算方向传入地下，并将测量机器人用于导线外业观测，利用VC6.0开发平台研发边长改化软件，实现边长改正自动化批量处理。

CORS；GNSS控制网；基线解算；定权平差

1 引 言

青岛地铁1号线全长 59.9 km，其中下穿胶州湾过海隧道区间长达8.1 km，是连接青岛西海岸国家级新区与青岛主城区的南北向重要轨道交通走廊。线路进入海域段施工后，施工作业面以千分之五的坡度进入海底，整个海域段离海平面最深处大约 85 m，共穿越18条地质断裂带。作为目前国内第一条地铁过海隧道，建立高精度空间基准，保证隧道放样、开挖方向与设计线路精确重合，确保过海段两侧对向开挖精确贯通，成为长距离过海段施工关键性控制因素。

为保证长距离跨海地铁隧道精准贯通，需建立高精度的空间基准，为整个工程施工提供可靠的测量起算数据。其中高精度的GNSS控制网以及精密导线网是确保精确贯通的关键因素，为了与其他地铁线路的空间基准保持一致，GNSS控制网以青岛市连续运行基准站(QDCORS)作为起算[1]，考虑到CORS站点距离测区较远，为了提高与CORS站相连的长基线解算精度，选取GNSS控制网中的部分点位与CORS站点组成框架网进行长时间观测，并采用高精度解算软件Gamit进行长基线处理，短基线采用LGO进行解算，为解决两种软件解算基线精度相差较大造成精度不均匀，对其分别定权进行平差。精密导线网采用高精度测量机器人TS50进行作业，并优化导线布设方案，保证地面有两个定向边引入地下，并研发软件实现了导线边长改化自动化批量处理。

2 高精度GNSS控制网及算法改进

2.1 CORS在GNSS控制网的应用

连续运行参考站系统(CORS)是空间大地测量技术、通信技术以及网络技术等多种高新技术深度结合的产物[2]。2006年，青岛市建成了山东省第一个卫星连续运行基准站系统(QDCORS)。该系统是一个高标准、高精度、多功能的GNSS连续运行参考站网系统[3]。

地铁1号线与2号线、3号线、4号线、8号线等多条线路衔接换乘，为了与这些衔接地铁线路的保持空间基准的一致性，本项目采用QDCORS作为地铁1号线高精度GNSS控制网的起算基准，充分保证青岛市所有地铁线路空间基准的一致性，考虑到各个CORS站点距离测区相距较远，一般为十几千米至几十千米，为了提高长基线解算精度，选取地铁1号线GNSS控制网中的若干个点与起算CORS站点组成框架网，如图1所示，进行长时间观测，观测时间为 4 h，其余时段观测 1.5 h，作业时采用徕卡GS14高精度双频GNSS接收机，其静态后处理定位精度为：平面 3 mm+0.3 ppm，高程 5 mm +0.3 ppm，采用的观测参数如表1所示：

图1 地铁1号线GNSS框架网图

GNSS外业观测技术参数 表1

外业观测共54个时段，平均重复设站数为3.5，满足规范要求。

2.2基线精化及定权平差

为了提高与CORS站相连接长基线的解算精度，框架网采用专业高精度软件Gamit进行解算，其余短基线采用徕卡随机软件LGO进行解算。采用Gamit进行长基线处理时，首先对外业观测数据的齐全性进行检查与整理，同时使用Teqc软件对整理好的数据做观测数据质量分析。下载数据处理所使用的广播星历、精密星历以及表文件。采用LGO进行短基线处理时，应对导入文件的点名、天线类型、量高方式等进行检查确认，相关设置选择默认参数。

基线经重复基线、同步环及异步环闭合差检验，检验不合格或者基线解算精度较差时进行基线精化处理，主要精化处理方法如下：

外业观测时通过手簿或测前在软件中将卫星截止高度角设置成15°，以降低电离层与对流层的干扰，采用相关优化模型对对流层和电离层延迟进行改正[4]；基线解算时，以青岛市连续运行基准站作为起算点[5]；屏蔽卫星观测时间太短的数据，使之不参与基线解算，以确保解算基线的质量；通过减小编辑因子来删除残差较大的观测值，以此来减小多路径效应，或者通过删除多路径效应严重的时间段或卫星的方法[6]；

由于Gamit和LGO两种软件解算基线精度相差约1万倍，将两种不同精度的基线进行合并平差前，通过科傻平差软件对其分别定权，Gamit解算基线和LGO解算基线的权值分别设置成10000和1，再合并成一个文件进行平差计算。平差前，在青岛当地坐标系下，对拟采用的CORS站起算点进行兼容性检查分析，并结合点位分布情况，选用兼容性好的点位作为二维约束平差的起算数据，合并后再进行平差计算，数据解算流程如图2所示。

GNSS控制网最终各项精度指标如表2所示，根据二维约束平差后的结果对GNSS控制网做出精度评定。

在青岛当地坐标系下，二平差后最弱点点位中误差为 0.49 cm，小于规范要求的 1.2 cm，最弱边相对中误差为1/269000，小于规范要求的1/100000，与联测的11个现有城市高等级控制点的坐标较差最大值为 38.4 mm，小于规范要求的 50 mm，与2号线、3号线等衔接工程控制网重合点坐标较差最大为 10.8 mm，小于规范要求的 25 mm，通过上述精度分析表明，GNSS控制网各项精度指标均达到规范要求，甚至远高于规范要求，可作为1号线过海隧道工程测量的测绘基准。

图2 数据解算流程图

地铁卫星定位控制网主要技术指标 表2

3 导线网优化设计及边长改正自动化处理程序研发

3.1精密导线网优化设计及测量机器人应用

为确保1号线长距离过海隧道空间基准的稳定性及可靠性，提高外业观测效率，将目前世界上精度最高的测量机器人徕卡TS50用于空间精密导线测量，并搭载多测回测角软件，外业实现首次人工瞄准，后续自动化观测并存储数据，作业效率相对于传统方法提高了4倍～5倍，导线网布设时综合考虑了各种因素，使得线路设计最优化，确保过海隧道施工斜井有多个地面起算方向，增加测量检核条件，作业流程如图3所示：

图3 测量机器人自动观测作业流程

3.2边长改正自动化处理程序研发

对外业观测完的导线数据进行整理，平差前对导线边长进行高程归化和高斯投影改化，其中归化到城市轨道交通线路测区平均高程面上测距边长度，按下式计算：

Ra—参考椭球体在测距边方向法截弧的曲率半径(m)；

Hp—投影面高程；

Hm—测距边两端的平均高程。

测距边在高斯投影面上的长度，按下式计算：

式中：Ym—测距边两端点的横坐标的平均值(m)

Rm—测距边中点的平均曲率半径(m)

△Y—测距边两端点近似横坐标的增量(m)

根据上述公式采用VC6.0开发平台研发导线边长自动改化程序，实现批量化自动处理，在程序中依次打开导线点的近似三维坐标和未改化的科傻平差文件，自动生成改化后的科傻平差文件，软件界面及结果文件如图4所示：

图4 导线边长改正自动化批量处理程序

通过该研发程序的应用，极大地提高了内业解算效率，避免了人工解算出错，保证了过海隧道空间基准解算成果的可靠性。

4 总 结

(1)用CORS作为过海隧道空间基准的起算数据，可以有效保证各条地铁线路空间基准的统一性，避免交叉线路控制点成果不一致带来的施工矛盾。

(2)过海隧道区域控制点距离CORS站较远，对形成的骨架网应长时间进行观测，以提高长基线解算质量，为解决Gamit解算的长基线与LGO解算的短基线精度相差较大的问题，对其进行分别定权平差。

(3)对过海隧道地面精密导线网需进行优化设计，保证有多个起算方向传递到地下，外业采用测量机器人并搭载多测回测角软件，可大大提高外业外测效率，针对导线边长高斯投影改化和高程规化研发自动化批量处理软件，可节省数据处理时间，并避免内业计算出错。

[1] 王智. 地铁盾构姿态自动测量系统的研究与实现[D]. 上海：同济大学测量与国土信息工程系，2011.

[2] 王智，赵亚波. QDCORS在青岛地铁控制网中的应用研究[J]. 城市勘测，2016(4)：106～109.

[3] 孙晓丽，李效超，王智. 地铁盾构隧道轴线测量及纠偏曲线设计[J]. 城市勘测，2014(2)：138～140.

[4] 戴吾蛟，丁晓利，朱建军. GPS动态变形测量中的多路径效应特征研究[J]. 大地测量与地球动力学，2008，28(1)：65～71.

[5] 张双成，张鹏飞，范朋飞. GPS对流层改正模型的最新进展及对比分析[J]. 大地测量与地球动力学，2012，32(2)：91～95.

[6] 邵成立，王智. 基于C#的空间任意角度直角坐标转换程序的设计与实现[J]. 城市勘测，2012(4)：146～148.

EstablishmentandDiscussionofHighPrecisionSpatialDatumforLongDistanceSeaCrossingMetroTunnel

Wang Zhi，Liu Baohua，Zhang Hongde，Hu Yuxiang，Meng Qinnian

(Qingdao Surveying and Mapping Research Institute，Qingdao 266032，China)

Qingdao Metro Line 1 is China’s first cross sea subway lines，a total length of 59.9 kilometers，the sea tunnel length of 8.1 km. In order to fully guarantee the cohesion with built and planning subway lines，put forward using QDCORS as the Metro Line 1 GNSS benchmark control network. Using GAMIT and LGO two software to calculate the baseline and weighted adjustment. Improving adjustment algorithm，optimization of precision wire layout，ensure the floor has two from the direction of incoming underground，and measuring robot for wire field observation，using the VC6.0 platform to develop length correction software，realize the change and elevation naturalization automated batch processing of Gauss projection.

CORS；GNSS control network；baseline calculating；weighted adjustment

1672-8262(2017)05-26-03

P228，P258

A

2017—07—11

王智(1986—)，男，硕士，工程师，注册测绘师，研究方向：精密工程测量和工业测量。

本论文获得2017年“华正杯”城市勘测优秀论文二等奖。