轨道交通GNSS控制网的建立及数据分析处理

李谋思 刘志锋

摘 要：【目的】研究城市軌道交通平面首级GNSS控制网的布设方法及数据分析处理，总结项目经验。【方法】结合城市轨道交通平面首级GNSS控制测量的规范要求及工程实际情况，以某市轨道交通四号线GNSS控制网的建立及数据处理过程为例，采用框架网、线路网的分级布设，介绍了地铁GNSS控制网的主要精度要求、测点布设原则、外业采集过程、数据处理流程、质量检验等方法。【结果】控制网布设时应与相邻线路控制网重合点进行联测；点位选取除须符合规范要求外，还应与线路走向及施工相配合，与相邻线路控制点联测，保证点位精度；数据处理过程中需特别注意同步环及异步环精度，针对长基线、车站附近控制点等重要位置应采用测量机器人进行边长观测及修正。【结论】城市轨道交通平面首级GNSS控制网的布设是一个费时费力的过程，数据分析处理对技术人员经验要求较高，该控制网测设，能够很好地满足生产要求，对类似工程具有一定的借鉴意义。

关键词：GNSS控制网布设；框架网；线路网；数据处理；轨道交通

中图分类号：TG333     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）06-0011-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.002

Establishment and Data Analysis of GNSS Control Network of Rail Transit

LI Mousi1 LIU Zhifeng2

（1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Co.， LTD， Wuhan 430022， China; 2.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co. Ltd， Guangzhou 510000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the layout method and data analysis and processing of the first level GNSS control network for urban rail transit， thus summarizing project experience. [Methods] Combined with the specification requirements of the first-level GNSS control measurement of urban rail transit plane and the actual situation of the project， and taking the establishment and data processing of the GNSS control network for Line 4 of a certain city's rail transit as an example， the hierarchical layout of the frame network and the line network is adopted. The main accuracy requirements of the subway GNSS control network， the principle of measuring point layout， the field collection process， data processing flow， quality inspection and other methods are introduced. [Findings] When laying out the control network， it is advisable to conduct joint measurement with the overlapping points of the adjacent line control network. The selection of point positions should not only comply with the requirements of the specifications， but also be coordinated with the line direction and construction， and should be connected with the adjacent line control points to ensure the accuracy of point positions; During the data processing process， special attention should be paid to the accuracy of synchronous and asynchronous loops. For important parts such as long baselines and control points near stations， measurement robots can be used for edge length observation and correction. [Conclusions] The layout of the first level GNSS control network for urban rail transit is a time-consuming and laborious process， and data analysis and processing require high experience from technical personnel. The control network measurement can well meet production requirements and has certain guiding significance for similar projects.

Keywords：GNSS control network deployment; frame network; line network; data process; rail transit

0 引言

近年来，国内各大城市的在建地铁线路快速增加，线路之间穿越、交叉越来越频繁，超长站间距也越来越普遍。因此，在设计阶段需要将高等级的控制网布设准确。首级平面控制网一般先布置框架网，再布置线路网［1］。本研究以某市轨道交通四号线GNSS控制网的布测为例，介绍了地铁GNSS控制网的主要精度要求和测点布设原则、外业采集过程、数据处理流程及质量检验方法等。

1 工程概况

某市轨道交通四号线全长约为55.2 km，共设车站33座，其中换乘车站13座。平均车站间距为1.71 km，最大车站间距为3.93 km。全线设置车辆基地2处，1处停车场、1处车辆段。

2 GNSS控制网

2.1 GNSS控制网的旧点利用

通过对收集的上述控制点资料经过筛选，选取了地铁四号线一期沿线周边的部分控制点，分别作为该项目地面控制测量的起算点、框架点、城市检核点（体校宿舍、翠坑小学）等加以利用。

2.2 GNSS控制网主要精度指标

地铁GNSS控制测量的主要精度指标参照《城市轨道交通工程测量规范》（GB50308—2017）中的规定执行，主要精度指标详见表1。

2.3 GNSS控制网的布设

2.3.1 GNSS控制网的布设原则。依据《城市轨道交通工程测量规范》（GB/T50308—2017）的要求，将该市的城市B级起算点（“青岐村委会”“东海大道7号”“新广烟二厂”“丹灶水厂”“宝翠庭”“市桥综合厂”）与K4G01～K4G10共同组成轨道交通一等网（框架网），在此基础上沿着线路附近布设轨道交通二等网（线路网）。

轨道交通二等控制点应沿线路两侧布设，控制点宜布设在主变站（2处）、控制中心（1处）、车站（33座）附近及车辆基地（2处）附近。其中车辆基地面积较大，应布设的控制点数量不少于3个；为确保本工程与其他轨道交通工程的顺利衔接，二等控制网与其他8个线路交叉处或换乘站的控制点应进行必要的联测，每处的联测点数量应不少于2个。轨道交通二等控制点的相邻控制点之间应满足至少有一个通视方向，控制点间的基线边长控制在2 km左右［2］。

2.3.2 GNSS框架网的实际布设。该项目全网布设94个卫星定位控制点，其中新埋点约58个，线路交叉重合点共13个（其中联测广佛线2点、广佛线二期2点、2号线2点、3号线4点、11号线2点、佛山西站1点），城市等级重合点7个、框架点10个、起算点6个。采用边连接、网连式布网，由多边形闭合环构成带状图形，其中所有观测边都为独立基线向量，且闭合环中的边数不多于6条，控制网布设如图1所示。

3 外业数据采集

GNSS控制网外业数据采集需要在观测时段的选择和有效观测时段长度上借鉴以往的测量经验，安排专人进行仪器的充电维护、协助搬运、人员接送等工作［3］，并且需要根据该市低纬度的实际情况和该控制网部分边长较长的情况进行精心策划。该项目GNSS控制网外业数据采集采用4台天宝R8-3（标称精度为3 mm+0.1 ppm）和6台拓普康HiperIIG双频双星GNSS线路网接收机（标称精度为3 mm+0.5 ppm），共计10台仪器。框架网、线路网的外业数据采集工作分开进行，框架网与线路网外业观测采用静态GNSS测量模式［4］；天线对中整平互差不大于1 mm，作业人员在观测期间须对接收机开机前后三个不同方向量取仪器高度，三次互差应小于3 mm，取有效仪器高度平均值［5］；在观测手簿上记录观测点名称、仪器高度、观测时间等。

4 数据处理

4.1 基线解算

控制网基线向量解算采用GAMIT数据后处理软件进行处理，选取广播星历进行解算。在基线解算中，每一条基线都采用双差相位观测值和双差固定解来解算［6］。在基线解算后，进行重复基线较差、同、异步环闭合差的检查［7］。

本次布测的框架网共120条基线向量，组成32个最简异步环，环闭合差最大为32.4 mm。线路网共316条基线向量，组成884个同步环，189个最简异步环，环闭合差最大为36.05 mm，其坐标差分量、环闭合差均符合规范要求，基线质量合格。同步环闭合差如图2所示，最简异步环闭合差如图3所示。

对线路网中重复基线进行检核，控制网中共有341条重复基线，检核情况如图4所示。其中较差最大值为24 mm，限差为40.71 mm，重复基线满足规范要求，基线质量合格［8］。

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和二维约束平差［9］。

4.2.1 起算点检核。分析本研究所采用的6个起算点之间的兼容性，采取的方案如下：随机抽取其中1个点作为未知点，其余5个点作为已知点，进行平差［10］。该方案执行2次：第1次抽取C029（丹灶水厂）作为未知点，平差得到的結果和已知数据相比，北方向差0.41 cm，东方向差1.02 cm；第2次抽取C004（青岐村委会）作为未知点，北方向差0.98 cm，东方向差0.43 cm。较差结果全部小于2 cm，结果表明本网选用的6个起算点兼容性较好，可以满足本项目需求［11］。

4.2.2 框架网约束平差。以“XXX”等6个平面控制点作为起算点，对框架网进行约束平差。平差得到框架网所有点的CGCS2 000大地坐标。平差后各项精度统计如下：最弱点（M4KG03）中误差为±14 mm（限差为±12 mm）；基线最弱边为“M4KG03-M4KG04”，相对误差为1/404 858（限差为1/200 000）。

4.2.3 线路网约束平差。采用14个点作为起算点，对14个控制点的兼容性进行检测，固定不同的3个点进行约束平差［12］，把其余11个点的结果与已知值进行比对，检测所有控制点具有良好的兼容性后，最终选择14个点作为起算点进行平差。平差后得到最弱点（JYFZ）中误差为±1.03 mm；基线最弱边为“I230-JYFZ”，相对误差为1/128 000（限差为1/100 000）。

4.3 联测点成果比对与分析

通过在该市统一坐标系下的全网约束平差后，得到该市的城市重合点、不同线路换乘站附近控制点的坐标，将其与原坐标进行比对，发现与该市现有城市重合点的坐标较差≤50 mm，具体见表2。由表中坐标较差可知，城市检核点对比结果皆符合限差（50 mm）要求。联测其他线路控制网重合点坐标较差≤25 mm，具体见表3。由表中坐标较差可知，联测的不同线路控制点对比结果皆符合限差（25 mm）要求［13］。

4.4 质量检查

平面控制点检查采用了高精度全站儀TS16实测GNSS相邻点间的边长和夹角的方法。在两对通视边之间采用附合导线的方法对GNSS控制网成果进行抽查，验证成果的可靠性及数学精度［14］。本次共检测7条边长，3组相邻边夹角，平面控制点全站仪实测边长与坐标反算边长精度统计结果见表4，相邻边夹角检测结果见表5。结果符合设计和相关规范的要求。

5 结语

GNSS首级平面控制网是地铁施工的重要基础，为地铁施工建设指引方向，而控制网的精度直接影响车站施工的精度和盾构区间的顺利贯通［15］。

本研究通过结合建设中的某市轨道交通四号线GNSS控制网的布测实践，分析了地铁GNSS控制网的技术要求、布设原则、外业数据采集、数据处理、质量检验等方法，得出以下结论：①采用GNSS静态相对定位方法进行首级平面控制网的测量，可以提高控制网的测量精度和外业观测效率。②采用框架网、线路网分级布设，可以保证控制网的观测精度，该设计具有良好的经济效益，可在类似工程控制网布测中推广应用。

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