复杂环境下轨道交通GNSS控制网布设

梁敬祖

（佛山市测绘地理信息研究院，广东 佛山 528000）

轨道交通直接关系到人民群众的生命安全，在建设阶段，高精度的控制点是轨道交通最终质量的基础。据中国轨道交通网统计，截至2019年底，全国共有46座城市建设城市轨道交通，在建线路229条（段），总里程5 680.84 km，投资额39 773.39亿元。伴随着城市轨道交通线路的快速建设，其覆盖范围越来越大，同步建设的线路也越来越多，这就对轨道交通建设及营运管理的测量基准提出了更高的技术要求。目前，GNSS相对定位已经成为城市和工程首级网测量的最主要技术方法，也是轨道交通控制网测量的常用技术方法。

佛山市作为大湾区重要经济中心，对城市轨道交通已有了远期的线网规划。其中3号线是贯通中心组团南北的主干线，线路总长约70.2 km，为规划线路长度之最。线路穿越佛山中心繁华路段，城市交通设施及建筑物干扰严重，且大面积的水域不利于外业观测的实施，增加了控制网优化设计和实施的难度。

文章以佛山市轨道交通3号线卫星定位控制网建设为例，分析了低纬度多水域复杂环境下城市轨道交通控制网建设的技术难点，并据此在网形设计、数据观测、数据处理等方面进行了优化，最后通过数据比较得出结论：该方案完全满足轨道交通工程对控制测量的高精度要求，为轨道交通工程控制网建立提供了很好的借鉴作用。

1 技术难点

佛山市城市轨道交通3号线南起容桂，北至狮山，为贯通佛山市南北的主干线，线路全长约70.2 km，建设施工难度非常大，3号线工程测量具有以下难点：

①轨道交通精度要求高，该线路路线长。东西跨度约35 km、南北跨度约45 km，综合投影变形值很容易大于15 mm/km的规范要求；②河流水域较多，佛山地处珠江三角洲冲积平原，西江等超大河流密布，存在低纬度、多水域的地理特点，强电离层闪烁发生时会造成接收的卫星信号幅度深度衰减，导致GPS跟踪环路失锁、定位误差增大等问题；③区域衔接难度大。线路贯穿禅城区、南海区、顺德区，且与8条交叉线路衔接，不同线路控制网的兼容与统一，是地铁施工贯通及各线路的衔接的基本保证。

以上种种原因及存在困难，只有保证控制网的精度与可靠性，才能为线路的施工及运营提供强有力的支撑。

2 网形设计

2.1 精度指标

主要精度指标按照GB/50308-2017《城市轨道交通工程测量规范》中的规定，如表1所示。

表1 精度指标

2.2 控制网的布设

（1）布设原则。卫星定位控制点的布设需要满足扩展地铁精密控制网的要求，如点位之间相互通视，车站、隧道出入口位置加密布设等要求，控制网至少要以三个城市高等级点作起算，并与交叉轨道交通线路联测。由于起算点距离较远，为保证控制网网形稳固、结构合理，首先在线路周边加密布设框架网，再以框架网为基础布设线路控制网，共同组成全线卫星定位控制网。

（2）控制网的布设。以众涌小学、东村村委、溶州小学等佛山市城市二等点为基础。在线路工程周边均匀布设9个框架点，以框架网为基础，布设全线卫星定位控制网。全网布设了106个卫星定位控制点，其中新埋点76个、换乘线路联测点8个、城市高等级检核点6个、框架点9个、起算点7个。采用边连式、网连式布网，布网结果如图1所示。

图1 控制网布设示意图

3 外业数据采集

本工程卫星定位控制网外业数据采集采用4台天宝R8-3和6台拓普康Hiper IIG双频双星GNSS接收机，仪器均经计量检定机构鉴定合格。按照网形设计，制定数据采集计划，编制作业调度表。外业观测时按静态相对定位模式进行测量，重复设站数≥2，短基线每个时段≥120 min，长基线每个时段≥240 min；观测过程中，每个站需从角度均匀的三个方向各量取一次，量取的三次结果交叉小于3 mm时，满足仪器高度量取要求，记录3次的平均值；观测结束后，及时备份观测原始数据，并将仪器高度记录数据录入到计算机中。

4 控制网数据处理

4.1 基线处理

（1）数据预处理。每天观测结束后，都及时传输当天的观测数据，并分别用接收机随机软件将观测数据转换为标准的RINEX数据格式、将仪器高转换为相位高，转换时着重检查了点号、仪器高等信息的正确性。因本项目采用两种不同类型接收机混合使用的方法，在进行数据预处理时，将两种接收机的仪器高统一换算为天线相位中心高度，即在接收机各自配送的随机软件中选择正确的天线类型并输入正确的仪器高，由随机软件进行仪器高和天线相位中心高度的换算工作。

（2）基线解算。为保证测量精度，本控制网所有基线解算均加载了精密星历，并采用双差固定解。采用天宝TBC V2.97软件，基线需通过同步环、异步环及重复基线的检核。

同步环指标满足下列各式要求：

式中：n——基线重复次数。

基线向量改正数均满足下列各式的要求：

卫星定位控制网共756个同步环，其中环闭合差最小为0.1 mm，最大为11.6 mm（限差为15.8 mm）；相对闭合差最小为0.02 ppm，最大为1.27 ppm（限差为1.67 ppm），具体统计如表2所示：

表2 同步环相对闭合差统计表

卫星定位控制网共177个异步环，其中环闭合差最小为0.0 mm，最大为100.29 mm（限差为164.67 mm）；相对闭合差最小为0.0 ppm，最大为11.97 ppm（限差为16.7 ppm），具体统计如表3所示：

表3 异步环相对闭合差统计表

卫星定位控制网共有230组重复基线，其中基线较差最小值为0.039 8 mm，最大值为35.588 8 mm（限差为37.703 7 mm），重复基线精度符合要求。

4.2 平差计算

基线解算合格并符合各项限差后，采用武汉大学的COSAGPS V5.21软件进行三维无约束平差及二维约束平差。

三维无约束平差采用位于控制网中心的控制点的WGS-84坐标作为起算数据，平差后，基线向量改正数按下式计算：

具体统计如表4所示：

表4 三维基线向量改正数统计表

控制网的二维约束平差是以6个B级点（新广烟二厂、丹灶水厂、市桥综合厂、宝翠庭、飞驼岭、高黎幼儿园）及1个C级点（体校宿舍）的佛山市统一坐标作为起算数据进行计算，平差后基线最弱边为“G60-G59”，相对中误差为1/257 000（限差为1/100 000）；最弱点为“三山港小学”，点位中误差为±7 mm（限差为±12mm）；相邻点的相对点位中误差最大值为±7.2 mm（限差为±10 mm），相邻点为“KG07”“三山港小学”。

5 结语

本项目在低纬度多水域复杂城市环境下布设高精度卫星定位控制网，引入整体框架网模式，解决长距离轨道交通首级卫星定位控制网布设点位分布不均匀、最大相邻点间距与网平均间距比例过大、起算点距离较远的问题；研究并实现了不同型号GNSS接收机联合作业的手段和数据处理方法，为提高测量效率、解决长距离轨道交通控制网测量的实际问题提供科学可靠解决方案；加载精密星历提高基线解算的精度，长基线解算精度和质量有明显提高，并为未来城市轨道交通卫星定位控制网奠定基础。