復雜環境下軌道交通GNSS控制網布設

梁敬祖

（佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000）

軌道交通直接關系到人民群眾的生命安全，在建設階段，高精度的控制點是軌道交通最終質量的基礎。據中國軌道交通網統計，截至2019年底，全國共有46座城市建設城市軌道交通，在建線路229條（段），總里程5 680.84 km，投資額39 773.39億元。伴隨著城市軌道交通線路的快速建設，其覆蓋范圍越來越大，同步建設的線路也越來越多，這就對軌道交通建設及營運管理的測量基準提出了更高的技術要求。目前，GNSS相對定位已經成為城市和工程首級網測量的最主要技術方法，也是軌道交通控制網測量的常用技術方法。

佛山市作為大灣區重要經濟中心，對城市軌道交通已有了遠期的線網規劃。其中3號線是貫通中心組團南北的主干線，線路總長約70.2 km，為規劃線路長度之最。線路穿越佛山中心繁華路段，城市交通設施及建筑物干擾嚴重，且大面積的水域不利于外業觀測的實施，增加了控制網優化設計和實施的難度。

文章以佛山市軌道交通3號線衛星定位控制網建設為例，分析了低緯度多水域復雜環境下城市軌道交通控制網建設的技術難點，并據此在網形設計、數據觀測、數據處理等方面進行了優化，最后通過數據比較得出結論：該方案完全滿足軌道交通工程對控制測量的高精度要求，為軌道交通工程控制網建立提供了很好的借鑒作用。

1 技術難點

佛山市城市軌道交通3號線南起容桂，北至獅山，為貫通佛山市南北的主干線，線路全長約70.2 km，建設施工難度非常大，3號線工程測量具有以下難點：

①軌道交通精度要求高，該線路路線長。東西跨度約35 km、南北跨度約45 km，綜合投影變形值很容易大于15 mm/km的規范要求；②河流水域較多，佛山地處珠江三角洲沖積平原，西江等超大河流密布，存在低緯度、多水域的地理特點，強電離層閃爍發生時會造成接收的衛星信號幅度深度衰減，導致GPS跟蹤環路失鎖、定位誤差增大等問題；③區域銜接難度大。線路貫穿禪城區、南海區、順德區，且與8條交叉線路銜接，不同線路控制網的兼容與統一，是地鐵施工貫通及各線路的銜接的基本保證。

以上種種原因及存在困難，只有保證控制網的精度與可靠性，才能為線路的施工及運營提供強有力的支撐。

2 網形設計

2.1 精度指標

主要精度指標按照GB/50308-2017《城市軌道交通工程測量規范》中的規定，如表1所示。

表1 精度指標

2.2 控制網的布設

（1）布設原則。衛星定位控制點的布設需要滿足擴展地鐵精密控制網的要求，如點位之間相互通視，車站、隧道出入口位置加密布設等要求，控制網至少要以三個城市高等級點作起算，并與交叉軌道交通線路聯測。由于起算點距離較遠，為保證控制網網形穩固、結構合理，首先在線路周邊加密布設框架網，再以框架網為基礎布設線路控制網，共同組成全線衛星定位控制網。

（2）控制網的布設。以眾涌小學、東村村委、溶州小學等佛山市城市二等點為基礎。在線路工程周邊均勻布設9個框架點，以框架網為基礎，布設全線衛星定位控制網。全網布設了106個衛星定位控制點，其中新埋點76個、換乘線路聯測點8個、城市高等級檢核點6個、框架點9個、起算點7個。采用邊連式、網連式布網，布網結果如圖1所示。

圖1 控制網布設示意圖

3 外業數據采集

本工程衛星定位控制網外業數據采集采用4臺天寶R8-3和6臺拓普康Hiper IIG雙頻雙星GNSS接收機，儀器均經計量檢定機構鑒定合格。按照網形設計，制定數據采集計劃，編制作業調度表。外業觀測時按靜態相對定位模式進行測量，重復設站數≥2，短基線每個時段≥120 min，長基線每個時段≥240 min；觀測過程中，每個站需從角度均勻的三個方向各量取一次，量取的三次結果交叉小于3 mm時，滿足儀器高度量取要求，記錄3次的平均值；觀測結束后，及時備份觀測原始數據，并將儀器高度記錄數據錄入到計算機中。

4 控制網數據處理

4.1 基線處理

（1）數據預處理。每天觀測結束后，都及時傳輸當天的觀測數據，并分別用接收機隨機軟件將觀測數據轉換為標準的RINEX數據格式、將儀器高轉換為相位高，轉換時著重檢查了點號、儀器高等信息的正確性。因本項目采用兩種不同類型接收機混合使用的方法，在進行數據預處理時，將兩種接收機的儀器高統一換算為天線相位中心高度，即在接收機各自配送的隨機軟件中選擇正確的天線類型并輸入正確的儀器高，由隨機軟件進行儀器高和天線相位中心高度的換算工作。

（2）基線解算。為保證測量精度，本控制網所有基線解算均加載了精密星歷，并采用雙差固定解。采用天寶TBC V2.97軟件，基線需通過同步環、異步環及重復基線的檢核。

同步環指標滿足下列各式要求：

式中：n——基線重復次數。

基線向量改正數均滿足下列各式的要求：

衛星定位控制網共756個同步環，其中環閉合差最小為0.1 mm，最大為11.6 mm（限差為15.8 mm）；相對閉合差最小為0.02 ppm，最大為1.27 ppm（限差為1.67 ppm），具體統計如表2所示：

表2 同步環相對閉合差統計表

衛星定位控制網共177個異步環，其中環閉合差最小為0.0 mm，最大為100.29 mm（限差為164.67 mm）；相對閉合差最小為0.0 ppm，最大為11.97 ppm（限差為16.7 ppm），具體統計如表3所示：

表3 異步環相對閉合差統計表

衛星定位控制網共有230組重復基線，其中基線較差最小值為0.039 8 mm，最大值為35.588 8 mm（限差為37.703 7 mm），重復基線精度符合要求。

4.2 平差計算

基線解算合格并符合各項限差后，采用武漢大學的COSAGPS V5.21軟件進行三維無約束平差及二維約束平差。

三維無約束平差采用位于控制網中心的控制點的WGS-84坐標作為起算數據，平差后，基線向量改正數按下式計算：

具體統計如表4所示：

表4 三維基線向量改正數統計表

控制網的二維約束平差是以6個B級點（新廣煙二廠、丹灶水廠、市橋綜合廠、寶翠庭、飛駝嶺、高黎幼兒園）及1個C級點（體校宿舍）的佛山市統一坐標作為起算數據進行計算，平差后基線最弱邊為“G60-G59”，相對中誤差為1/257 000（限差為1/100 000）；最弱點為“三山港小學”，點位中誤差為±7 mm（限差為±12mm）；相鄰點的相對點位中誤差最大值為±7.2 mm（限差為±10 mm），相鄰點為“KG07”“三山港小學”。

5 結語

本項目在低緯度多水域復雜城市環境下布設高精度衛星定位控制網，引入整體框架網模式，解決長距離軌道交通首級衛星定位控制網布設點位分布不均勻、最大相鄰點間距與網平均間距比例過大、起算點距離較遠的問題；研究并實現了不同型號GNSS接收機聯合作業的手段和數據處理方法，為提高測量效率、解決長距離軌道交通控制網測量的實際問題提供科學可靠解決方案；加載精密星歷提高基線解算的精度，長基線解算精度和質量有明顯提高，并為未來城市軌道交通衛星定位控制網奠定基礎。