沈陽市地鐵二號線GPS控制網的建立與數據處理①

邰 賀

（沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽110004）

0 引 言

地鐵二號線北延工程是沈陽市快速軌道交通線網規劃中二號線的北段，線路總長度約11km，全線采用地下線形式，初步預計設置7座車站。其建成后將極大地帶動沈北新區的發展，并實現沈北新區與母城無縫銜接。

作為工程的前期準備，2010年3月沈陽市勘察測繪研究院承擔了地鐵二號線北沿工程GPS控制網的布設和數據處理工作 ，全部工作歷時一個星期完成。地鐵二號線工程建設指揮部對該網同時進行了復測。

1 已有控制資料

沈陽市于1998－1999年布設過二等GPS控制網，平面精度、邊長相對中誤差平均值為1：112萬，最弱邊中誤差1：70萬，最大點位誤差為2.2 cm，平均值為1.2cm.最大方位角中誤差為0.55″，平均為0.29″，精度良好。經過可靠性分析，選擇該網中的4個控制點位作為本次地鐵GPS控制網的起算數據，這些控制點均具有北京54坐標。本次控制網的平面基準選為北京54基準。

1.1 設備準備

本次工程采用6臺美國Ashtech公司生產的Z－Xtreme型雙頻GPS接收機，其標稱精度為：平面：5mm＋1ppm·D；垂直：10mm＋1ppm·D.所有儀器經遼寧省測繪儀器計量站檢定合格。

1.2 圖形設計

本次GPS平面控制網在城市二等GPS網框架下布設，該網沿地鐵二號北延長線線路布設，采用邊連式。新選GPS控制點10個，點位選擇的原則如下

1）所有點位應有利于安全作業，便于安置接收設備和操作，被測衛星的地平高度角應大于15°。

2）所有點位應遠離大功率無線電發射源，遠離高壓輸電線距離不宜小于50m，附近不應有強烈干擾接收衛星信號的物體。

3）所有點位在市區內主要選在變形區外已經穩定的高層建筑物樓頂上，距地鐵線路的距離在150m以上，但不要選在危房或近期內需動遷的樓房上。

4）考慮到精密導線點的布設全在樓頂，所選GPS點要盡量選在車站附近，以提高利用率。

5）保證地鐵沿線每個GPS點至少有二個通視方向（可與精密導線點通視，包括線路兩端預留方向）。

點位分布圖如圖1所示。

按照規范中的標石埋設要求，在建筑物樓頂，用工具將樓頂刨至樓板（預制板），用射釘槍在樓板上釘5個以上射釘，將預制的墩標（1.0m×0.4m×0.4m滿足強制對中要求）整平，現場進行混凝土澆制（水泥與砂子比例為1：2.5），埋設對中標志，做好防水。

圖1 點位分布圖

2 外業觀測

設計采用6臺接收機同步觀測，共設計4個時段。重復上站率達到1.7，整網可靠性指標達到0.35.觀測時按如下要求進行［1]：

①天線安置必須嚴格對中、整平，對點中誤差小于1mm，并使定向標志指向磁北。歷元間隔15 s，衛星截止高度角15°，同步時段觀測時間為60 min［2].②在天線板上互隔120°的三處量取天線高，互差小于3mm，取中數。③點位幾何圖形強度因子PDOP≤6.④詳細認真記錄外業觀測手簿。

3 數據處理

1）數據預處理

預處理階段，主要是對觀測數據的質量進行分析，同時確定點位命名、改化天線高、數據格式轉換等。在數據編輯軟件中，更改文件命名為本次技術要求的命名方式，更改天線高為標準ARP垂高模式，并選中天線改正模型。填寫好數據的元數據信息，并采用格式轉換模塊統一轉換為Rinex V2.0格式。

數據質量分析采用teqc軟件，分析每個觀測點位的雙頻多路徑效應以及數據可利用率等情況。經檢驗，所有點位平均MP1，MP2均在0.5以下，數據可利用率均操作80%，結果樣例如圖2所示。

2）基線解算

圖2 teqc檢驗觀測文件質量樣例

采用隨機軟件Ashtech Solution V2.7進行基線處理，處理時采用廣播星歷進行處理，天線改正模型采用NGS標準改正模型。要求基線全部在雙頻固定狀態下解算出來［3]。個別有問題基線，分析原因并采取相應處理措施，直至達到要求。全網共52條基線，全部雙頻固定狀態解算完畢。

3）質量分析

質量檢查主要包括三個方面：重復基線閉合差、同步環閉合差以及異步環閉合差。計算是依據《全球定位系統（GPS）測量規范GB／T18314－2009》相應公式。

全網共有重復基線8條，重復基線閉合差最大為0.010m，限差為0.035m，基線長為7 366.621 m。全網共選擇最簡同步環20個，閉合差最大值為0.005m，限差為0.008m，環長為16 608.21 m.全網共選擇最簡異步環20個，閉合差最大值為0.021m，限差為0.086，環長為7 502.593m.

4）三維無約束平差

基線解算指標順利通過后轉入三維無約束平差，主要目的是進行粗差分析并消除不良影響、調整觀測量的協方差因子使其與實際精度相匹配、對整網的內部精度進行檢驗和評估［4]。平差基準為WGS－84，固定位于本網中心的測站0224為約束點。通過三維無約束平差，基線向量改正數中，最大的為0.009m，限差為0.037m.最弱邊相對中誤差為1：187949，限差為1：90000.

5）二維約束平差

二維約束平差目的是將全網重新作整體平差，將所有獨立基線向量及其經調整后的協方差陣作為觀測量進行高斯平面上的解算［5]。平差時為消除星歷和網的傳遞誤差引起的整網在尺度和方向上的系統性偏差，應對全面網加入一個尺度和三個轉換參數。

本網設計時充分考慮了已知點位之間的兼容性問題，根據整個工程的走向以及觀測難度等，選擇3個控制點作為約束，選擇另外一個作為檢查點。經過平差，最弱點點位中誤差為0.009m，限差為0.036m；檢查點計算值與已知值互差X方向為0.003m，Y 方向為0.010m，點位中誤差為0.011m，限差為0.025m.

4 結 論

沈陽市地鐵二號線北延長線首級GPS平面控制網平均邊長3.9km，二維約束平差后其最大點位中誤差為0.9cm，最弱邊相對中誤差為水平：1：187949，所有技術指標均滿足設計要求。地鐵指揮部的復測結果與本次解算的結果接近，互差滿足限差要求，充分說明了本次GPS控制網的布設以及數據解算過程規范且高精度，為日后地鐵的施工控制奠定了良好的基礎。

［1]北京市測繪設計研究院.CJJ73－97全球定位系統城市測量技術規程 ［M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

［2]謝劭鋒，王新橋.工程控制網必要觀測時間探討［J].全球定位系統，2007，33（4）：30－32.

［3]劉大杰，施一民，過靜珺.全球定位系統的原理與數據處理［M].上海：同濟大學出版社1996.

［4]中國國家標準化管理委員會.全球定位系統（GPS）測量規范 GB／T18314－2009［R].中國標準出版社，2009.

［5]劉國深，詹錦祥.城市平面坐標系與GPS二維約束的參數問題討論［J].全球定位系統，2007，33（3）：30－34.