沈陽市地鐵二號線GPS控制網(wǎng)的建立與數(shù)據(jù)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(wǎng)規(guī)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(yù)計(jì)設(shè)置7座車站。其建成后將極大地帶動沈北新區(qū)的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)沈北新區(qū)與母城無縫銜接。

作為工程的前期準(zhǔn)備，2010年3月沈陽市勘察測繪研究院承擔(dān)了地鐵二號線北沿工程GPS控制網(wǎng)的布設(shè)和數(shù)據(jù)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(shè)指揮部對該網(wǎng)同時進(jìn)行了復(fù)測。

1 已有控制資料

沈陽市于1998－1999年布設(shè)過二等GPS控制網(wǎng)，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(diǎn)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(jīng)過可靠性分析，選擇該網(wǎng)中的4個控制點(diǎn)位作為本次地鐵GPS控制網(wǎng)的起算數(shù)據(jù)，這些控制點(diǎn)均具有北京54坐標(biāo)。本次控制網(wǎng)的平面基準(zhǔn)選為北京54基準(zhǔn)。

1.1 設(shè)備準(zhǔn)備

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

1.2 圖形設(shè)計(jì)

本次GPS平面控制網(wǎng)在城市二等GPS網(wǎng)框架下布設(shè)，該網(wǎng)沿地鐵二號北延長線線路布設(shè)，采用邊連式。新選GPS控制點(diǎn)10個，點(diǎn)位選擇的原則如下

1）所有點(diǎn)位應(yīng)有利于安全作業(yè)，便于安置接收設(shè)備和操作，被測衛(wèi)星的地平高度角應(yīng)大于15°。

2）所有點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源，遠(yuǎn)離高壓輸電線距離不宜小于50m，附近不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號的物體。

3）所有點(diǎn)位在市區(qū)內(nèi)主要選在變形區(qū)外已經(jīng)穩(wěn)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(nèi)需動遷的樓房上。

4）考慮到精密導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)全在樓頂，所選GPS點(diǎn)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(diǎn)至少有二個通視方向（可與精密導(dǎo)線點(diǎn)通視，包括線路兩端預(yù)留方向）。

點(diǎn)位分布圖如圖1所示。

按照規(guī)范中的標(biāo)石埋設(shè)要求，在建筑物樓頂，用工具將樓頂刨至樓板（預(yù)制板），用射釘槍在樓板上釘5個以上射釘，將預(yù)制的墩標(biāo)（1.0m×0.4m×0.4m滿足強(qiáng)制對中要求）整平，現(xiàn)場進(jìn)行混凝土澆制（水泥與砂子比例為1：2.5），埋設(shè)對中標(biāo)志，做好防水。

圖1 點(diǎn)位分布圖

2 外業(yè)觀測

設(shè)計(jì)采用6臺接收機(jī)同步觀測，共設(shè)計(jì)4個時段。重復(fù)上站率達(dá)到1.7，整網(wǎng)可靠性指標(biāo)達(dá)到0.35.觀測時按如下要求進(jìn)行［1]：

①天線安置必須嚴(yán)格對中、整平，對點(diǎn)中誤差小于1mm，并使定向標(biāo)志指向磁北。歷元間隔15 s，衛(wèi)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(shù)。③點(diǎn)位幾何圖形強(qiáng)度因子PDOP≤6.④詳細(xì)認(rèn)真記錄外業(yè)觀測手簿。

3 數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

預(yù)處理階段，主要是對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行分析，同時確定點(diǎn)位命名、改化天線高、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。在數(shù)據(jù)編輯軟件中，更改文件命名為本次技術(shù)要求的命名方式，更改天線高為標(biāo)準(zhǔn)ARP垂高模式，并選中天線改正模型。填寫好數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，并采用格式轉(zhuǎn)換模塊統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Rinex V2.0格式。

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析采用teqc軟件，分析每個觀測點(diǎn)位的雙頻多路徑效應(yīng)以及數(shù)據(jù)可利用率等情況。經(jīng)檢驗(yàn)，所有點(diǎn)位平均MP1，MP2均在0.5以下，數(shù)據(jù)可利用率均操作80%，結(jié)果樣例如圖2所示。

2）基線解算

圖2 teqc檢驗(yàn)觀測文件質(zhì)量樣例

采用隨機(jī)軟件Ashtech Solution V2.7進(jìn)行基線處理，處理時采用廣播星歷進(jìn)行處理，天線改正模型采用NGS標(biāo)準(zhǔn)改正模型。要求基線全部在雙頻固定狀態(tài)下解算出來［3]。個別有問題基線，分析原因并采取相應(yīng)處理措施，直至達(dá)到要求。全網(wǎng)共52條基線，全部雙頻固定狀態(tài)解算完畢。

3）質(zhì)量分析

質(zhì)量檢查主要包括三個方面：重復(fù)基線閉合差、同步環(huán)閉合差以及異步環(huán)閉合差。計(jì)算是依據(jù)《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范GB／T18314－2009》相應(yīng)公式。

全網(wǎng)共有重復(fù)基線8條，重復(fù)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(wǎng)共選擇最簡同步環(huán)20個，閉合差最大值為0.005m，限差為0.008m，環(huán)長為16 608.21 m.全網(wǎng)共選擇最簡異步環(huán)20個，閉合差最大值為0.021m，限差為0.086，環(huán)長為7 502.593m.

4）三維無約束平差

基線解算指標(biāo)順利通過后轉(zhuǎn)入三維無約束平差，主要目的是進(jìn)行粗差分析并消除不良影響、調(diào)整觀測量的協(xié)方差因子使其與實(shí)際精度相匹配、對整網(wǎng)的內(nèi)部精度進(jìn)行檢驗(yàn)和評估［4]。平差基準(zhǔn)為WGS－84，固定位于本網(wǎng)中心的測站0224為約束點(diǎn)。通過三維無約束平差，基線向量改正數(shù)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(wǎng)重新作整體平差，將所有獨(dú)立基線向量及其經(jīng)調(diào)整后的協(xié)方差陣作為觀測量進(jìn)行高斯平面上的解算［5]。平差時為消除星歷和網(wǎng)的傳遞誤差引起的整網(wǎng)在尺度和方向上的系統(tǒng)性偏差，應(yīng)對全面網(wǎng)加入一個尺度和三個轉(zhuǎn)換參數(shù)。

本網(wǎng)設(shè)計(jì)時充分考慮了已知點(diǎn)位之間的兼容性問題，根據(jù)整個工程的走向以及觀測難度等，選擇3個控制點(diǎn)作為約束，選擇另外一個作為檢查點(diǎn)。經(jīng)過平差，最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為0.009m，限差為0.036m；檢查點(diǎn)計(jì)算值與已知值互差X方向?yàn)?.003m，Y 方向?yàn)?.010m，點(diǎn)位中誤差為0.011m，限差為0.025m.

4 結(jié) 論

沈陽市地鐵二號線北延長線首級GPS平面控制網(wǎng)平均邊長3.9km，二維約束平差后其最大點(diǎn)位中誤差為0.9cm，最弱邊相對中誤差為水平：1：187949，所有技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。地鐵指揮部的復(fù)測結(jié)果與本次解算的結(jié)果接近，互差滿足限差要求，充分說明了本次GPS控制網(wǎng)的布設(shè)以及數(shù)據(jù)解算過程規(guī)范且高精度，為日后地鐵的施工控制奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1]北京市測繪設(shè)計(jì)研究院.CJJ73－97全球定位系統(tǒng)城市測量技術(shù)規(guī)程 ［M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

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

［3]劉大杰，施一民，過靜珺.全球定位系統(tǒng)的原理與數(shù)據(jù)處理［M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社1996.

［4]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范 GB／T18314－2009［R].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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