軌道交通燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的實(shí)施

潘舒放 鐘永松

(1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048;2.北京水規(guī)院京華工程管理有限公司，北京 100101)

軌道交通燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的實(shí)施

潘舒放1鐘永松2

(1.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048;2.北京水規(guī)院京華工程管理有限公司，北京 100101)

衛(wèi)星定位控制網(wǎng)是軌道交通工程測量的首級平面控制網(wǎng)，其測量成果是保證軌道交通工程順利建設(shè)的基礎(chǔ)。本文從衛(wèi)星定位控制網(wǎng)設(shè)計(jì)、外業(yè)觀測、基線向量解算、衛(wèi)星定位控制網(wǎng)平差、精度分析等方面介紹了北京軌道交通燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的實(shí)施，并根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況對控制網(wǎng)布設(shè)和觀測提出相應(yīng)的建議。

軌道交通 衛(wèi)星定位控制網(wǎng) 基線解算 網(wǎng)平差 精度指標(biāo)

1 引言

北京軌道交通燕房線連接房山燕化地區(qū)和房山主城區(qū)，在蘇莊站與地鐵房山線實(shí)現(xiàn)換乘。燕房線工程包括主線和房山線西延伸段兩部分，遠(yuǎn)期規(guī)劃了通往周口店的支線部分。線路沿燕房路-京周路-大件路-長虹西路走行。線路總長約16.6km(燕房線主線長14.4km，房山線西延伸段長2.2km)，全線共設(shè)8座高架車站和閻村北停車場。

軌道交通燕房線主要沿現(xiàn)有道路敷設(shè)，兩側(cè)有大量輸電、電信、通訊等市政工程線纜及相關(guān)大功率信號源。其中西段位于房山老城區(qū)繁華地段，沿燕房路路中走行，線路兩側(cè)多為住宅小區(qū)、臨街商鋪，測區(qū)建筑物密集，道路相對狹窄；中段沿京周路南側(cè)敷設(shè)，交通繁忙，車流量巨大；東段穿越大紫草塢村及西六環(huán)，涉及大量拆遷?？傮w來說測區(qū)布網(wǎng)跨度及難度較大，對衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的布設(shè)和外業(yè)觀測造成了一定困難。

軌道交通工程平面控制網(wǎng)分兩個等級布設(shè)，一等為衛(wèi)星定位控制網(wǎng)，二等為精密導(dǎo)線網(wǎng)[1,2]。其中精密導(dǎo)線網(wǎng)為分段附合導(dǎo)線、閉合導(dǎo)線或結(jié)點(diǎn)導(dǎo)線網(wǎng)的形式，以衛(wèi)星定位控制點(diǎn)為起算依據(jù)[3，4]，因此衛(wèi)星定位控制網(wǎng)測量是整個軌道交通工程平面控制的基礎(chǔ)。

2 測量坐標(biāo)系統(tǒng)及起算控制點(diǎn)

北京軌道交通燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)測量的坐標(biāo)系統(tǒng)采用北京地方坐標(biāo)系。起算控制點(diǎn)選取線路周邊4個北京市C級GPS控制點(diǎn)和1個B級GPS控制點(diǎn)作為起算依據(jù)，所有起算點(diǎn)的精度和穩(wěn)定性均滿足測量要求。

3 衛(wèi)星定位控制網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 布點(diǎn)原則

充分利用測區(qū)衛(wèi)星遙感影像圖，結(jié)合現(xiàn)場踏勘的實(shí)際情況，將衛(wèi)星定位控制點(diǎn)選在有利于長期保存、施測方便和高架橋梁施工影響范圍以外穩(wěn)定的地方，具體選點(diǎn)原則如下：

(1)控制點(diǎn)選擇在視野開闊的地方，充分考慮周圍樹木、建筑物，避開多路徑效應(yīng)影響。

(2)盡量遠(yuǎn)離無線電發(fā)射裝置和高壓輸電線，避免磁場對信號的干擾。

(3)點(diǎn)位便于精密導(dǎo)線點(diǎn)的布設(shè)。

(4)考慮與既有地鐵房山線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的銜接。

布網(wǎng)時，首先確定作為精密導(dǎo)線網(wǎng)分段附合導(dǎo)線控制邊的衛(wèi)星定位控制點(diǎn)，由于控制點(diǎn)間要求通視，長度根據(jù)實(shí)際情況最短控制在700m左右[5]，其余控制點(diǎn)根據(jù)上述原則確定點(diǎn)位?？紤]燕房線遠(yuǎn)期規(guī)劃支線建設(shè)的需要，在支線與主線銜接處(饒樂府站附近)預(yù)留2個控制點(diǎn)。由于受城市道路建設(shè)影響，線路東段與房山線銜接部分附近只有1個保存完好的控制點(diǎn)(FSG02)，因此在控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時重合了該點(diǎn)，將其納入到燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)中。

3.2 控制點(diǎn)埋設(shè)及管理

軌道交通工程施工周期一般較長，為保證控制點(diǎn)堅(jiān)固、穩(wěn)定，所有衛(wèi)星定位控制點(diǎn)均采用地面鉆孔埋設(shè)標(biāo)石的方式。同時為了方便使用和資料管理，對控制點(diǎn)統(tǒng)一按序編號，編號字頭冠以大寫英文字母“YFG**”, 其中英文字母YF表示軌道交通燕房線工程，G表示GPS。

3.3 布網(wǎng)情況

軌道交通燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)采用邊連式構(gòu)網(wǎng)，由33個控制點(diǎn)組成，其中包含5個起算點(diǎn)(房山區(qū)政府、坨里北、良鄉(xiāng)、車廠村南、石樓北)、27個新布設(shè)待測點(diǎn)(YFG01-YFG27)和1個既有地鐵房山線衛(wèi)星定位控制點(diǎn)(FSG02)?？刂凭W(wǎng)中最短邊長601m，最長邊長18858m。衛(wèi)星定位控制點(diǎn)點(diǎn)位布設(shè)如圖1所示。

3.4 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB 50308-2008)，衛(wèi)星定位控制網(wǎng)按C級要求進(jìn)行，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 衛(wèi)星定位控制網(wǎng)主要技術(shù)指標(biāo)

4 外業(yè)觀測

衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的觀測采用載波相位靜態(tài)相對定位模式，采用9臺Leica GPS雙頻接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)測量作業(yè)，其中包括4臺Leica GS15型GPS雙頻接收機(jī)(標(biāo)稱精度精度不低于3mm±0.5ppm)，5臺Leica 1230型GPS雙頻接收機(jī)(標(biāo)稱精度不低于5mm±1ppm)，所有儀器均經(jīng)過有關(guān)機(jī)構(gòu)檢定并在有效期內(nèi)。

外業(yè)觀測按制定的觀測計(jì)劃進(jìn)行，共觀測6個時段，具體觀測時段如表2所示。觀測前對全部接收機(jī)及天線設(shè)備進(jìn)行全面檢查，并根據(jù)編制的衛(wèi)星可見性預(yù)報(bào)表及衛(wèi)星星歷，選擇最佳觀測時段。將GPS接收機(jī)設(shè)備分別安置在網(wǎng)中多邊形的各個端點(diǎn)上，對基線邊同步觀測4顆及4顆以上的衛(wèi)星。儀器嚴(yán)格對中整平，對中誤差小于2mm。每時段觀測前后分別量取天線高，讀數(shù)至毫米，較差小于3mm，取兩次讀數(shù)平均值作為作為最后結(jié)果。觀測時段長度大于90分鐘，衛(wèi)星高度角≥15°，幾何圖形強(qiáng)度因子(PDOP)≤6，重復(fù)設(shè)站數(shù)≥2[1,6]。每日觀測結(jié)束后及時將存儲介質(zhì)上的觀測數(shù)據(jù)下載，確保觀測數(shù)據(jù)不丟失。

表2 觀測時段表

5 基線解算

基線解算是對2臺及以上接收機(jī)同步觀測值進(jìn)行獨(dú)立基線向量的平差計(jì)算。外業(yè)觀測數(shù)據(jù)經(jīng)檢驗(yàn)后采用LEICA GPS接收機(jī)隨機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件LGO V7.0進(jìn)行基線解算，采用衛(wèi)星廣播星歷坐標(biāo)值作為基線解的起算數(shù)據(jù)；小于8kn的短基線采用雙差相位觀測值和雙差固定解，8-30km長基線擇優(yōu)選擇雙差固定解和雙差浮點(diǎn)解；涉及周跳較多或數(shù)據(jù)質(zhì)量欠佳的時段，對其衛(wèi)星進(jìn)行刪除或用分段處理的技術(shù)進(jìn)行結(jié)算。全網(wǎng)共50個觀測文件，觀測33個控制點(diǎn)，形成184條基線，15條重復(fù)基線，182個同步環(huán)和176個異步環(huán)。按照規(guī)范要求，外業(yè)觀測全部數(shù)據(jù)基線解算后，進(jìn)行同步環(huán)、異步環(huán)閉合差及重復(fù)基線較差檢核，各項(xiàng)檢核統(tǒng)計(jì)情況如下：

5.1 同步環(huán)閉合差

所有同步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長閉合差均滿足限差要求。同步環(huán)中X方向最大坐標(biāo)分量閉合差Wx=3.2mm，限差4.1mm，Y方向最大坐標(biāo)分量閉合差Wy=3.5mm，限差4.9mm，Z方向最大坐標(biāo)分量閉合差Wz=2.9mm，限差4.9mm，最大全長閉合差W=4.7mm，限差7.0mm，最小全長閉合差W=0.2mm，限差3.3mm；最大相對精度為0.50ppm，最小相對精度為0.02ppm。

5.2 異步環(huán)閉合差

獨(dú)立基線共構(gòu)成的所有異步環(huán)各坐標(biāo)分量及全長閉合差均滿足限差要求。異步環(huán)中X方向最大坐標(biāo)分量閉合差Wx=14.1mm，限差29mm，Y方向最大坐標(biāo)分量閉合差Wy=21mm，限差29mm，Z方向最大坐標(biāo)分量閉合差Wz=9.5mm，限差27.2mm，最大全長閉合差為W=25.8mm，限差為50.3mm，最小全長閉合差為W=2.6mm，限差為47.4mm；最大相對精度為3.45ppm，最小相對精度為0.26ppm。

5.3 重復(fù)基線較差

所有重復(fù)基線較差均滿足限要求。重復(fù)基線中最大基線長度較差dn=6.9mm，限差為16.0mm，最小基線長度較差dn=0.2mm，限差為14.9mm。

6 網(wǎng)平差

數(shù)據(jù)網(wǎng)平差分三維無約束平差和二維約束平差兩個步驟進(jìn)行，參與平差的基線為184條，平差點(diǎn)數(shù)為33個。把基線向量作為基本觀測值，根據(jù)各基線向量的協(xié)方差陣定權(quán)后進(jìn)行平差，計(jì)算出各控制點(diǎn)的坐標(biāo)。

6.1 三維無約束平差

把全部獨(dú)立基線構(gòu)成閉合圖形，以三維基線向量以及相應(yīng)方差、協(xié)方差陣作為觀測信息，以車廠村南(CCCN)的WGS-84坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行三維無約束平差，得到衛(wèi)星定位控制點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，坐標(biāo)差觀測值的總改正數(shù)，基線邊長以及點(diǎn)位和邊長的精度信息。

三維無約束平差后控制網(wǎng)中坐標(biāo)差觀測值總改正數(shù)等各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足要求，其中最弱邊(CCCN-SLB，邊長9505.753m)X方向中誤差17.4mm，Y方向中誤差19.5mm，Z方向中誤差14.0mm,中誤差29.6mm，相對誤差1∶320743；最弱點(diǎn)(SLB)點(diǎn)位中誤差29.6mm，X方向中誤差13.1mm，Y方向中誤差11.1mm，Z方向中誤差24.1mm。

6.2 二維約束平差

在北京地方坐標(biāo)系中進(jìn)行約束平差和精度評定。平差中放棄已知點(diǎn)高程信息，全網(wǎng)聯(lián)測了5個城市控制點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)兼容性檢核，石樓北與其他4個控制點(diǎn)兼容性較差，最終選擇房山區(qū)政府、坨里北、良鄉(xiāng)、車廠村南4個控制點(diǎn)作為固定點(diǎn)，石樓北作為檢核點(diǎn)，以此進(jìn)行約束平差計(jì)算。

二維約束平差后控制網(wǎng)各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其中最弱邊(YFG26-FSG02，邊長2540.019m)中誤差9.3mm，其X方向中誤差7.3mm，Y方向中誤差5.8mm，相對誤差1∶272148；最弱點(diǎn)(YFG04)點(diǎn)位中誤差8.7mm，其X方向中誤差6.9mm，Y方向中誤差5.2mm，滿足規(guī)范要求12mm；最大相鄰點(diǎn)點(diǎn)位相對中誤差6.2mm；與既有地鐵房山線重合點(diǎn)(FSG02)坐標(biāo)較差為12m；與原有城市控制點(diǎn)(SLB)坐標(biāo)較差29mm。

在后處理過程中，除了使用LECIA LGO進(jìn)行平差處理外，還使用第三方軟件HDS2003數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行計(jì)算和比較，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。約束平差中，采用了多種約束方法，不同組合進(jìn)行多次平差，得出最優(yōu)結(jié)果。

7 總結(jié)

軌道交通燕房線衛(wèi)星定位控制網(wǎng)嚴(yán)格按照經(jīng)審批的技術(shù)方案實(shí)施，選點(diǎn)、埋石、外業(yè)觀測、數(shù)據(jù)處理等作業(yè)過程均符合規(guī)范要求；測量成果可靠，各項(xiàng)精度指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求和精密導(dǎo)線網(wǎng)測量的需要。

結(jié)合本次衛(wèi)星定位控制網(wǎng)的實(shí)施，對軌道交通工程控制網(wǎng)測量有如下體會：1、衛(wèi)星定位控制網(wǎng)測量雖然沒有控制點(diǎn)間的通視要求，但根據(jù)軌道交通工程測量的特點(diǎn)，點(diǎn)位布設(shè)時應(yīng)充分考慮與既有線的重合及規(guī)劃線路的銜接，因此應(yīng)充分利用遙感影像進(jìn)行選點(diǎn)，尤其是線路沿城鎮(zhèn)街區(qū)、車流量大的道路敷設(shè)和選點(diǎn)難度大的地方；2、特別注意作為導(dǎo)線起算邊的控制點(diǎn)間距離，有利于提高基線解算精度；同時，基線解算如能采用精密星歷也有利于提高整個控制網(wǎng)的精度；3、不同的投影方式產(chǎn)生不同的變形量，因此二維平差時選擇合適的投影至關(guān)重要，尤其注意投影帶的選擇，務(wù)必選擇當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)所采用的投影帶；4、進(jìn)行約束平差時應(yīng)采用多種約束方法，對平差成果進(jìn)行檢核。

[1] 秦長利.GB50308-2008.城市軌道交通工程測量規(guī)范 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[2] 秦長利.城市軌道交通工程測量 [M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3] 曹華生.淺談GPS和精密導(dǎo)線在軌道交通控制測量中的應(yīng)用 [J]. 北京測繪,2014,(6):44-47.

[4] 王曉芳,唐青松.成都地鐵三號線控制網(wǎng)的布設(shè) [J]. 城市勘測,2014,(3):103-106.

[5] 史秀保,袁崢.寧波軌道交通1號線一期工程GPS控制網(wǎng)建立及精度分析 [J]. 城市勘測,2009,(5):82-84.

[6] 彭定波.軌道交通11號線北段二期GPS控制網(wǎng)的研究 [J]. 城市道橋與防洪,2009,(8):200-206.

The Implementation of GPS Control Network for Rail Transit Yan-Fang Line

PAN Shu-fang1;ZHONG Yong-song2

(1.Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering,Beijing 100048,China;2.PDI JingHua Engineering Management Co.,Ltd,Beijing 100101,China)

GPS control network is the primary level planar control network of rail transit engineering surveying,and it’s result is the base of rail transit construction.This paper introduce the implementation of GPS control network for Beijing rail transit YanFang Line from GPS control network design、field surveying、baseline vector calulating、control network adjustment and precision analysis，and give some suggestions on control network design and field surveying according to the actual survey situation.

rail transit; GPS control network; baseline calulating; network adjustment; precision index

2016-03-19

P228.1

B

1007-3000(2016)06-4