福州地鐵5號線一期工程衛星定位控制網的建立及精度分析

林萬榮

(福州市勘測院 福建福州 350003)

0 引言

福州地鐵5號線一期工程是福州地鐵網絡的主要線路，線路起于閩侯縣荊溪新城，終于福州火車南站，主要線路沿洪甘路-下穿閩江-上下店路-閩江大道-建新北路-金亭路-金洲北路-金洲南路-盤嶼路-義序路-規劃艾默生路-規劃歡樂谷-規劃螺福路-福峽路-環島快速路-福州南站。線路全長約27.3 km，共設20座車站，平均站間距1.44 km。線路經過新舊城區，建筑密集、交通繁忙、周圍環境復雜，給平面和高程控制網的布設及觀測帶來很大困難；同時，市政道路維修、改造頻繁，給控制點長久保存造成不少困難。

為便于福州地鐵5號線一期工程施工，保障該地鐵工程施工質量，該期工程建立了衛星定位控制網。基此，本文介紹其衛星定位控制網的布設，及其施測，探析其數據處理及其成果精度，以期為后續工程提供借鑒。

1 衛星定位控制網布設

控制網布設是否合理，一定程度上影響控制點的精度。根據相關規范要求：控制點之間要相互通視、點位周邊觀測條件要理想、垂直角不能超過30°等。此外，由于該工程沿線建筑物密集，高層建筑物較多等因素給衛星定位選點工作帶來一定困難。鑒此，該工程衛星定位采取多種手段，合理布設控制點，優化控制網[1]：如減少路面上點位，盡可能選擇通視條件較好的建筑物上。內業根據最新航拍的影像初步選取點位，外業現場踏勘點位周邊環境，并架設儀器檢查前后視距、俯仰角等相關精度指標。同時，為了滿足車站開挖施工要求，在每一車站附近均布設有平面控制點，且至少有一個點能夠直接進行控制，提高施工測量精度[2]。

該工程衛星定位控制網，共由65個控制點組成：新埋設點43個(2個為不銹鋼屋面埋石、其余為強制對中混凝土觀測墩)，重復利用地鐵1號線衛星定位控制點3個、2號線衛星定位控制點3個、6號線衛星定位控制點3個，聯測已有城市控制點7個、起算點6個，如圖1所示。

圖1 福州地鐵5號線一期工程衛星定位控制網圖

因此，該項目衛星定位控制網具有以下幾方面特點：

(1)6個起算控制點分布在衛星定位控制網邊緣，能很好控制和保證整個網的精度，位置分布合理；

(2)聯測1號線平面控制點3個、2號線平面控制點3個、6號線平面控制點3個，確保了與其他軌道交通線工程控制網的統一性；

(3)車站附近均布設不少于2個控制點，且至少1個能俯視車站位置，便于施工使用；

(4)GPS點位觀測環境條件比較理想；相鄰點平均邊長1195.69 m；

(5)閉合環邊數較少，并且全部采用異步環構成，網形強度較好。

2 衛星定位控制網施測

為了提高整網測量精度，采用邊連接方式進行多時段觀測。為了確保觀測數據的準確性、可靠性，采用8臺天寶R4雙頻測量型GPS接收機每個時段觀測時間長均大于2 h；采樣率為10 s；高度角為15°；實際重復設站率3.1；可觀測25個時段(其中包含補測2個時段)。同時，在外業觀測作業之前，對GPS接收機、天線、基座等設備進行全面檢驗，經檢驗接收機各項指標均滿足相關規范要求，可以使用，并按照GPS測量相關規范實施外業測量。

3 數據處理

3.1 數據預處理

預處理階段，主要對外業采集的數據做初步整理及分析等，為后續工作提供基礎，主要包含數據的傳輸、格式的統一、粗差剔除等內容。采用相應的數據傳輸軟件，將觀測數據導出并轉換為標準數據格式RINEX，同時確定點位名稱、天線高改正。

利用TEQC軟件，分析每個測站、每個觀測時段的開始時間、結束時間、觀測時間、采樣間隔、數據有效利用率、多路徑效應、周跳等數據質量。經檢查，所有點位評價MP1、MP2均在0.5以下，數據可利用率均大于86%。

3.2 基線解算

基線解算，采用Trimble公司的GPS精密靜態數據處理軟件TBC(Trimble Business Center)。為了提高基線解算精度，星歷采用精密星歷，基線全部雙頻固定解，重復基線較差全部滿足規范要求。此外，對個別周跳較多的數據，采取衛星刪除或分時間段處理的方法進行基線解算，直至滿足規范要求。174條獨立基線解算全部通過，基線解算結果中最大PDOP值均小于6，RMS均小于0.03m(表1)。

表1 基線解算精度統計一覽表

3.3 網平差

3.3.1起算點穩定性和兼容性分析

為了保證全網平差基準的一致性，以及與在建不同線路之間的銜接，在進行GPS控制網平差前，對起算點的穩定性和兼容性進行分析[3-5]。福州地鐵5號線衛星定位控制網起算點，采用分布于網周邊的6個起算點：CHAN、RUAN、HT、YT、163P、SD。為了全面合理地評價起算點，利用加點法分4個方案進行檢驗，檢驗結果如表2所示。

表2 起算點穩定性、兼容性分析表 mm

由表2可知，4種方案點位誤差均為毫米級，最大點位誤差為0.51 mm，最小點位誤差為0.37 mm；與已知坐標成果較差最大值為13.0 mm，最小值為1.4 mm；各點檢核較差均滿足規范規定的限差要求，穩定性、兼容性較好，可靠性較強，可以作為該工程起算數據使用。

3.3.2平差計算

平差計算采用武漢大學測繪學院的“地面測量工程控制測量數據處理軟件包CosaGPS Ver5.21”進行平差計算。將全部獨立基線構成閉合圖形，以三維基線向量及其相應方差-協方差陣作為觀測信息，以CHAN點在WGS-84坐標系下的三維坐標為起算數據，在WGS-84坐標系中進行三維無約束平差，并提供WGS-84坐標系的三維坐標、坐標差觀測值的總改正數、基線邊長及點位的精度信息。若出現環閉合差超限、重復基線較差超限等情況，則重新處理，直至所有指標符合相關規范要求后再進行二維約束平差。考慮到起算點均勻分布網周邊及今后其他軌道線路平面控制測量的銜接，在福州城市地方平面直角坐標系中，以YT、HT、163P、SD、CHAN、RUAN(共6點)全部參與約束，進行二維約束平差，計算衛星定位控制點的福州城市地方平面直角坐標。

3.3.3精度分析

通過對選取的174條獨立基線進行平差計算，獲取93個異步環。表3為所有異步環閉合差中最大值、最小值統計表如表3所示。

表3 異步環閉合差精度統計表

在進行三維平差、二維平差后獲得各點點位中誤差，如圖2所示的三維平差各點點位中誤差，其中最弱點位中誤差為3.69 cm。如圖3所示的二維平差各點點位中誤差，其中最弱點位中誤差為0.41 cm；控制網解算精度統計如表4所示。

圖2 三維平差點位誤差曲線圖

圖3 二維平差點位誤差曲線圖

表4 控制網解算精度統計表

綜上分析可知，43個新布設點位精度均滿足相關規范要求，可以提供給施工單位作業使用。

4 復測成果精度分析

表5 歷年復測情況精度統計表

圖4 點位較差分布情況統計圖

圖5 控制點歷年復測成果統計圖

5 結語

通過對福州地鐵5號線一期工程衛星定位控制網的布設過程、施測技術要求、數據處理流程以及精度指標統計分析等各個環節的介紹，得出了新布設的控制點成果各項指標滿足相關規范要求，可以提供給施工單位作業使用。同時，通過比較、分析歷年控制網復測情況，進一步驗證了控制點比較穩定、控制網整體精度高，為地鐵的精密施工提供了可靠的基礎數據。該項目的實施可以為國內其他同類工程控制網的建立提供參考：

(1)優化布設控制網：根據線路走向，利用最新影像數據，結合現場實際情況，合理選擇點位，優化布設控制網。

(2)采用強制觀測墩：有條件的情況下，點位埋設盡可能采用強制觀測墩，以便減少外業觀測時儀器對中誤差、天線高量取誤差等人為誤差。

(3)做好數據預處理：提前做好控制網平差前數據預處理準備工作，如檢查觀測數據有效利用率、多路徑效應、周跳等質量。

(4)合理選取起算點：根據控制點分布情況，均勻選取其周邊等級高、穩定性好、兼容性強的起算點，以避免因起算點問題影響控制點解算精度。