第3章地面平面控制测量.docx
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第3章地面平面控制测量
第3章地面平面控制测量
3．1概述
地面平面控制测量是城市轨道交通工程所有测量的基础和依据，是城市轨道交通工程全线线路和结构贯通的保障。
在土建施工开挖前测量完毕。
地面平面控制网具有精度高、边长较短、使用频繁等特点。
本章主要介绍城市轨道交通平面控制网的布设、控制点选埋、控制网的优化设计、外业观测、数据处理以及控制网检测。
3．1．1地面平面控制网的基本特点
城市轨道交通工程应结合拟建线路情况，进行专项平面控制网布设，且和城市原有坐标系统一致，并在工程开始前完成，其基本特点如下：
（1）平面控制网的大小、形状、点位分布应满足轨道交通工程施工的需要，可以根据城市轨道交通总体规划布设全面网，也可以为某条线路布设单独的线状控制网。
（2）城市轨道交通工程地面平面控制网在城市一、二等控制网的基础上建立，通常分两个等级布设，即一等卫星定位控制网（以下简称GPS网）和二等精密导线（锁、网）两个等级。
GPS网点数较少，起到整体骨架的作用，是后续测量的基础，而导线（锁、网）则在GPS网的基础上布设成附合导线、闭合导线或多个结点的导线网。
边长较短，可直接为地面施工测量服务，对地下施工起到向地下传递坐标、方向的作用。
（3）地面平面控制网不但是隧道横向贯通的基础，还是安装测量控制网、变形监测网的基础。
可为工程设计提供大比例尺地形图测绘、施工放样、轨道铺设、断面测量、建设期间变形监测以及运营后的结构变形监测服务。
（4）由于城市轨道交通工程建设周期较长，工程建设期间平面控制点难免发生变化，因此需要在一定的周期内对地面平面控制网进行检测，评价原网稳定状况和可靠程度，确保地面平面控制网满足工程建设需要。
3．1．2地面平面控制网的测量步骤
地面平面控制网的测量步骤和城市建设的平面控制网一样，通常需要经过以下工作步骤：
（1）收集资料。
根据拟建线路的设计资料（尤其是车站位置、竖井位置和线路走向、不同线路交叉情况等），收集和了解沿线现有城市首级控制网、轨道交通控制网以及岩土工程条件等资料。
（2）现场踏勘。
在拟建线路附近普查现有首级平面控制点的保存情况和车站、车辆段以及沿线周围建（构）筑物情况和拟埋设控制点的位置条件情况等。
（3）选点。
根据控制网布设原则以及观测条件进行选点，值得注意的是GPS点和精密导线点的选点可以同时进行。
（4）埋石。
根据控制点的位置条件，选择埋设不同类型的标石。
（5）控制网观测。
按照平面控制网等级和技术要求进行GPS测量和精密导线测量。
（6）数据平差等。
3．2一等卫星定位控制网测量
3．2．1全球卫星定位系统
3-2．1．1全球卫星定位系统简介
具有全球导航定位能力的卫星定位导航系统称为全球卫星导航系统，英文全称为
Global．NavigationSatelliteSystem，简称为GNSS。
目前正在运行的全球定位系统有美国的全球卫星定位系统（GPS）和俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS），但GLONASS系统
暂时不能连续实时定位。
此外，正在建设中的系统有欧盟的GAL,ILEO系统和我国的北斗
卫星导航广域增强系统。
卫星定位系统都是利用在空间飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率并加载了某种特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量的定位系统。
卫星定位系统一般包括三个部分：
空间运行的卫星星座、地面控制部分和用户部分。
多个卫星组成的星座系统向地面广播发送某种时间信号、测距信号和卫星星历（卫星瞬时的坐标位置）信号。
地面控制部分是指地面控制中心通过接收上述信号来精确测定卫星的轨道坐标、时钟差异，判断卫星运转是否正常，并向卫星注入新的轨道坐标，进行必要的轨道纠正。
用户部分是指用户卫星信号接收机接收卫星发送的上述信号并进行处理计算，确定用户的位置。
若用户接收机设在地面上某一确定目标，则实现定位目的；若用户接收机固连在运载工具（汽车、船舶等）上，则可实现导航功能。
目前全球用户使用最多的是GPS全球定位系统，用户接收机主要接收GPS信号，而少量国际知名品牌的GPS接收机还能同时接收到GL,ONASS或GALlLEO等一种或两种卫星信号，即所谓的双星或三星接收机。
如Leica公司的1200GG接收机、Tirmble公司的R7、R8接收机和Topcon公司推出的G3接收机等。
（1）GPS全球定位系统简述
美国的GPS全球定位系统从1973年起步，1978年发射试验卫星，1994年完成24颗
卫星星座，至今已先后发展了三代卫星。
1）GPS星座参数
卫星高度：
20200km；
卫星轨道周期：
11h58min；
卫星轨道面：
6个，每个轨道至少4颗卫星；
轨道倾角，即卫星轨道面和地球赤道面的夹角：
55。
。
2）GPS卫星可见性
地球上任意时间、任意位置至少可见4颗卫星，通常可接收到6～8颗卫星信号。
3）GPS卫星信号
载波频率：
GPS卫星信号为加载在L波段上的双频信号，其频率分别是L1为1575．42MHz，L2为1227．60MHz：
测距码：
C／A码伪距（民用），P1、P2码伪距（军用）；
卫星识别：
星座中不同卫星根据码分多址（CDMA），即调制码来区分；
导航数据即广播星历：
包括卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正等。
（2）GLONASS全球定位系统简述
GLONASS是前苏联于20世纪80年代初开始建设的和美国GPS全球定位系统相类似的卫星定位系统，现在由俄罗斯空间局管理，其整体结构也和GPS系统相类似，其主要差异在于星座的设计、信号载波频率和卫星的识别方法，具体参数为：
卫星星座：
24颗；
卫星高度：
19100km；
卫星轨道周期：
11h15min：
卫星轨道面：
3个，每个轨道8颗卫星：
轨道倾角：
64．8。
；
载波频率：
LI1602．000+0．56251MHz，i为卫星频道编号（一7～24）；
L21246．000+0．432iMHz；
卫星识别：
不同卫星根据频分多址（FDMA），即载波频率来区分。
（3）伽利略（GALILEO）全球定位系统简述
“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位。
卫星星座：
30颗，其中27颗工作卫星，3颗备用卫星，目前已经成功发射首颗卫星；
卫星高度：
24126km：
卫星轨道面：
3个，每个轨道9颗工作卫星和1颗备用卫星；
轨道倾角：
56。
。
（4）GPS现代化
GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中
的领导地位。
其内涵主要包括以下三方面：
一是保护，即采取一系列措施更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力；二是阻止，即阻扰敌对方的使用。
设计新的GPS卫星（IIF）和新的信号结构，增加频道。
在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要和民用码分开。
M码要有更好的抗破译的保密和安全性能；三是改善，改善民用导航和定位的精度，在IIFGPS卫星上增加两个民用频道，即在L中增加第二民用码C／A码，这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正；另增加L民用频率，有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。
本章后面将多次用到GNSS概念，由于不同的全球定位系统相类似，定位原理相同，
因此，在以后的介绍中以GPS卫星定位系统为主。
3．2．1．2卫星定位方法
卫星定位方法有伪距定位法和载波相位定位法。
在GPS伪距定位法中所使用的测距码长度（29..3m，293m）较长，而GPS卫星发射的载波波长比测距码要短得多（
=19cm，
=24cm），如果将载波作为测距信号，测定GPS载波信号在传播路程上的相位变化值，以精密确定信号传播的距离，就可以达到较高的测距精度。
由于城市轨道交通地面首级控制网的精度要求高，应采用静态载波相位定位法施测。
3．2．1．3卫星定位测量误差来源和影响
GPS测量中将会产生各种误差，本节对GPS测量的误差来源及如何减少或防止误差影
响做出分析。
GPS测量的误差来源可分为三类：
和卫星有关的误差、和信号传播有关的误差和和接
收机有关的误差。
（1）和卫星有关的误差
和卫星有关的误差主要包括卫星星历误差和卫星钟误差等。
某一瞬间的卫星位置是由卫星星历提供的，所以卫星星历误差实际上就是由星历给出的卫星位置和卫星的实际位置之差。
卫星星历包括广播星历和精密星历。
广播星历是美国GPS控制中心跟踪站的观测数据进行外推，通过GPS卫星发播的一种预报星历，是卫星电文中所携带的主要信息。
精密星历是根据地面跟踪站（如：
IGS）实测资料而得，但滞后于观测时刻l一2周才能得到，在一般工程实践中不采用。
尽管美国采取SA政策，使得卫星的星历误差较大，但当利用两站的同步观测资料进行相对定位时，由于星历误差对两站的影响具有很强的相关性，即此项影响对于相距不太远的两个（多个）测站的定位影响大致相同，因此在多个测站上对同一卫星信号进行同步观测求差，就可减弱卫星轨道误差的影响，从而获得高精度的相对坐标。
卫星钟误差是指卫星上使用的高精度原子钟存在的误差。
GPS星座中不同卫星的钟误差是相互独立的，但不同测站对同一颗卫星进行同步观测时。
卫星钟的误差对各站观测值的影响是相同的，故在相对定位中可通过求差得以消除。
（2）和信号传播有关的误差
1）对流层折射误差
从地面向上40km为对流层，大气层中质量99％都集中在此层，电磁波在其中的传播速度和大气折射率、传播方向有关，在天顶方向延迟可达2—3m，在高度角为10。
时可达20m。
对流层对电磁波延迟的影响可实测地区的气象数据，利用模型进行改正，当基线较短、气象较稳定时，测站间的气象条件基本一致，同步观测求差能更好地减弱大气折射的影响。
2）电离层折射误差
从地面向上。
70km处直到大气层顶部为电离层。
在这一层中，由于太阳作用使大气中分子发生电离，导致电磁波传播产生延迟，天顶方向延迟可达50m，水平方向延迟可达150m。
对电离层延迟的影响，一是利用电离层模型进行改正，其影响可减少75％；二是利用双频接收机减少电离层延迟，可以很好地消除其影响；三是利用两个观测站同步观测求差，可以削弱其影响，当两点间距离为10km时，求差后基线长度残差为1／1000000C。
3）多路径效应影响
卫星信号从高空向地面发射，若接收机天线周围有高大建筑物或水面时，建筑物和水面对电磁波具有强反射作用。
这样天线接收的信号不但有直接从卫星发射的信号，还有从反射体反射的电磁波，这两种信号叠加的观测量一定会产生误差，这种误差称为多路径效应。
因此为减少该项误差的影响，通常在控制点点位选择时尽量避开强反射物，同时最好选用抗多路径效应天线。
（3）和接收机有关的误差
1）接收机钟的影响
由于GPS接收机内的时标采用的石英晶体振荡器稳定度问题，会使卫星钟和地面接收机不同步，将引起等效距离误差。
解决接收机钟误差影响的办法是：
在单点定位时是将钟差作为未知数在方程中求解，在载波相位相对定位中采用观测值求差的方法，进行有效消除。
2）天线相位中心的位置偏差
GPS测量值是测量卫星到接收机天线相位中心的距离，而天线对中是以天线几何中心为准的，二者不一致产生的偏差将造成定位误差。
GPS观测时，天线应严格对中，整平之后还要将天线盘上方向标指向北方。
3．2．1．4GPS测量的PDOP值和网的可靠性
（1）观测卫星的图形强度因子DOP和点位几何图形强度因子PDOP
GPS定位的实质就是将高速运动的卫星作为动态已知点，采取空间距离的后方交会方法，确定待测点的空间位置，因此利用GPS技术进行定位，其精度除取决于观测值的精度外，还和所测卫星的空间几何分布有关。
我们知道在卫星定位解算过程中，可求得未知参数的权逆阵
和协方差阵
：
}（3．2一1）
式中
——观测值的均方差。
由式（3．2．1）可看出，定位精度和观测值的精度盯。
（它是由观测中各项误差决定的）和观测卫星的几何图形有关。
由于权逆阵的各元素
由法方程的系数A阵所决定，而A阵是由观测向量的方向余弦所决定的，因此，它取决于观测卫星的几何图形结构，所以说
来表示几何图形强度，它是一个直接影响定位精度、但和观测值误差不同，其值恒大于1，其大小随时间和测站位置而变化。
现将空间点位几何图形强度因子用符号PDOP表示，则GPS点三维定位精度为
（3．2-2）
这就清楚地表明，三维位置的定位精度取决于几何精度衰减因子和观测值的精度，PDOP值越小定位精度越高，在城市轨道交通工程测量规范中，要求点位几何图形强度因
子PDOF’值不大于6。
（2）GPS网的可靠性
和常规的地面控制测量相同，GPs网也应有一定的多余观测值，确保网形可靠。
GPS网的可靠性主要根据平均重复设站数和多余观测数等因素决定，通常根据控制网的必要观测数和多余观测基线数进行计算，用式（3．2．3）表示如下：
（3．2—3）
式中r——控制网总体可靠性；
——多余观测基线数；
n——独立基线观测数；
——必要观测基线数；
p——GPS网中的总点数。
一般来说，在进行城市轨道交通GPS网网形设计时，若保证平均重复设站数达到或超
过2．O、总体可靠性不小于O．3，则GPS网的可靠性便能满足要求。
卫星定位控制网相邻点间基线精度用式（3．2．4）表示如下：
（3．2．4）
式中
——标准差，即基线向量的弦长中误差（mm）；
a——固定误差（mm）；
b——比例误差系数（1×
）；
d——GPS控制网中相邻点间的距离（km）。
由式（3．2—4）看出，基线测量的误差源亦可划分成固定误差和比例误差两个独立部分。
前者主要来自于天线相位中心的不稳定性、多路径效应、观测噪声及固定测站位置误差；后者主要是星历误差、时钟误差、电离层及对流层影响的残余误差。
其中天线相位中心变化、多路径效应和对流层延迟影响，是小于5km短基线测量的主要误差源，在5.0km基线上，对流层延迟误差上升为主要因素。
随着基线的增长，电离层延迟误差和轨道误差也将成为主要的误差源。
因此，在城市轨道交通地面控制网卫星定位测量时，一定要认真选择测站位置，避开周围有反射作用的物体，从几个不同方向量取天线高并取中数，尽量采用双频接收机观测，并保证卫星星座质量和不丢失卫星信号。
3．2．2卫星定位控制测量网的布设
3．2．2．1控制网的选点和埋石
（1）GPS控制网点位的选择
首先收集城市轨道交通线路沿线附近标石。
稳定、完好的城市原有控制点纳入GPS控制网中，以便于确定GPS网的基准。
同时通过原有控制点在GPS网中的坐标的较差，衡量GPS控制网的精度。
控制点应选在利于长久保存、施测方便的地方，离开线路中心线或车站等构筑物外缘的距离不宜小于50m。
控制点上应视野开阔，避开多路径效应影响，被测卫星的地平高度角应大于15。
。
远离无线电发射装置和高压输电线，其间距分别不小于200m和50m。
建筑物上的控制点应选在便于联测的楼顶承重墙上面。
GPS控制点的位置要便于进行下一级二等精密导线点的扩层，由于城市轨道交通线路贯穿城市繁华地段，交通运输极其繁忙，地面点位不易保存，二等精密导线点大都选在楼顶上，因此GPS点应尽量和相邻二等精密导线点通视，且尽量选在车站或施工竖井附近，以便利用。
每个GPS点至少要有两个通视方向，相邻GPS点间距离不低于500m。
（2）GPS控制点的标志和埋设
为使点位长期保存，以便利用GPS测量成果进行二等精密
导线测量以及复测，GPS点均应埋设具有中心标志的永久性标
石。
标石分为基本标石、岩石标石和楼顶标石三种。
建筑物楼
顶标石可现场浇筑，标石下层钢筋插入楼顶平面混凝土中，标
石应固结在楼顶板平台上，标石规格和形式见图3．2—1。
为了减
少多次观测对房屋顶部防水层的影响，同时减少每次观测的对
中误差，在埋设GPS控制点时大都同时埋设具有强制对中标志
的墩标。
若控制点埋于地下，可以根据工程建设区域的地质状
况选择埋设适宜的基本标石或岩石标石，标石规格和形式分别图3.2-1楼顶控制点标石埋设图
见．图3．2-2和图3．2-3。
图3.2-2土中基本标石埋设图图3.2-3岩石标石埋设图
1—土；2—捣固之土石层1—石块；2—保护盖
3．2．2．2GPS控制网布设方案及优化
（1）GPS控制网的布设原则
GPS控制网内应重合3～5个原有城市二等控制点或在城市里的国家一、二等控制点，并尽量保证分布均匀。
同时考虑到城市轨道交通总体规划建设，多线路分期建设情况，在城市轨道交通线路交会处和前后期衔接处应布设2个以上的重合点。
在隧道口、竖井、车站和车辆段附近应布设1—2个控制点，相邻控制点应有两个以
上方向通视，其他位置的控制点间应至少有一个方向通视。
控制网中应有一定数量的GPS点和水准点重合，同时应考虑在少量相邻点间进行电磁波测距用以检查GPS测量成果。
对于所有选定的点位均以边连接方式按照静态相对定位原理布网，由于相邻点的相对
点位中误差要求精度高，所以在控制网的布设时，相邻的短边控制点间保证同步观测。
GPS控制网必须由非同步独立观测构成闭合环或附合路线，每个闭合环或附合路线中的边数应符合规范规定。
（2）GPS控制网的优化设计
为了确保GPS控制网的精度满足规范要求，在GPS控制网布设时有必要进行优化设计。
主要内容为以下几种：
1）零类设计：
即控制网的基准设计，是对一个已知图形结构和观测方案的GPS向量网确定最优坐标系统的优化设计。
包括网的位置基准、方向基准和尺度基准，均是由网的整体平差实现的。
对于城市轨道交通GPS控制网，涉及到多线路的衔接，应首先进行已知点可靠性检验，选择多控制点约束平差方案，最终确定控制网的起算点。
2）一类设计：
即控制网图形设计，是在确定网的精度和观测方案情况下，得到最佳点位的优化设计。
虽然GPS对图形设计要求不十分严格，但网形仍然影响着最后成果的精度。
控制网图形设计主要考虑同步观测接收机数量、时段间的连接方式、重复上站率、独立基线向量的选择、由独立基线构成闭合图形等内容。
3）二类设计：
即观测方案的最佳选择，主要包括时段设计、交通路线、观测时间等。
进行控制网的优化设计，通常综合考虑以上几点来确定观测方案、基线选择、平差方案等。
3．2．2．3优化设计实例
（1）沈阳市地铁1号线一等GPS控制网
沈阳地铁1号线工程线路大致呈拉伸式的“~”形，线路全长22．048km，大致呈东西走向。
为满足工程建设需要，地铁1号线平面控制网分级布设，首级控制网采取GPS测量。
沈阳市地铁1号线一等GPS控制网选取靠近线路附近的ZST、NGT、JDXX、HGQNL、JDXY、NTFZ、ZLYY、LYSS、XZXY等9个城市二等GPS点（1999年建立）和新选28个控制点构成，见图3．2—4。
采用5台接收机同步观测，考虑GPS网的图形强度，先由9个城市二等GPS点和一个新选埋石点构成3个时段骨架网，整网采用边连式布设成GPS网锁。
地铁GPS网的主要设计指标见表3．2．1。
图3．2—4沈阳市地铁1号线一等GPS控制网示意图
图3.2-4沈阳市地铁1号线一等GPS控制网示意图
地铁GPS网的主要设计指标表3．2·1
总点数
37个
必要基线数
36条
接收机数量
5个
多余基线数
24条
观测时段数
15个
复测基线数
13条
总基数数
137个
总体可靠性指标
0.4
独立基线数
60个
平均设站率
2.0
（2）南京地铁一期工程GPS控制网
南京地铁一期工程优化的构网图形见图3．2_5，该网联测周围6个城市二等点（DT22、DT27、DT28、Drl29、D仍O、D曰1），待定点20个，以同步三角形和边连式沿南北线路方向扩展成GES网。
将待定点直接和已知点连接并构成三角形以提高精度和可靠性，全网最大边长8．3km，最短边长O．8km．平均边长3．5km。
GPs控制网优选后，对网形做进一步的精度估算，估算结果列在表3．2-2中。
3．2．3GPS控制网观测
DT28
图3．2_5南京地铁一期工程
GPS控制网示意图
GPS控制网观测主要包括制定观测计划、接收机的检验以及外业观测等。
3．2．3．1制定观测计划
外业观测，又称数据采集。
由于涉及多台接收机同步观测，所以在观测工作实施前，依据GPS网的布设方案、投入观测的接收机数量、可见性预报情况、观测时段长度、交通运输和通信条件，选择最佳的观测时段、进行科学调度，对顺利完成观测任务，进而提高效率是十分必要的。
（1）GPS卫星的可见性预报
GPS卫星的空间几何分布对定位精度具有重要影响，所以在选择最佳观测时段，制定观测计划时，一般需根据测区的概略坐标、观测日期，查看当日的GPS卫星数以及相应的PDOP值的变化情况。
尽管当前GPS工作卫星星座已经部署完毕，确保任何地区全天任何时间均能至少观测到5颗卫星，但最佳观测时段还是选择在PDOP小于6的时间
范围内。
（2）作业调度表
根据最优化的原则，应综合考虑GPS网的布设方案、卫星的可见性预报、网的连接方式、各时段观测时间和交通情况，合理调配各接收机，进行科学调度。
作业调度表包括观测时段号、测站名称和接收机号等内容。
3．2．3．2接收设备的检验
用于数据采集的GPS接收机一定要按照《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH8016的规定进行检定，合格后方可使用。
但在控制测量作业前，还需对GPS接收机和天线等设备进行全面检验。
接收机在一般检视和通电检验后，还应进行GPS接收机内部噪声水平的测试、接收机天线平均相位中心稳定性检验和GPS接收机不同测程精度指标的测试，详见《全球定位系统（GPS）测量规范》GB／T18314一2001及《全球定位系统（GPS）测量型接收机检定规程》CH8016的规定。
由于埋设的标石大都没有强制对中装置，因此，为了提高对中精度，还需检验基座圆水准器和光学对中器是否准确。
3．2．3．3接收机参数设置
同步观测的接收机，相应的参数设置要保持一致。
其参数主要包括数据采样率和卫星高度角，通常在观测前，将各接收机统一进行参数设置，即数据采样率为l0s，卫星高度角15°。
3．2．3．4外业观测
（1）架设天线
在GPS点位或墩标上架设天线，保证天线严格对中和整平。
并把天线定向标志指向北方，每时段观测前、后量取天线高各一次，两次互差小于3mm时，·应取两次平均值作为最后结果，同时详细记录天线高的量取方式。
（2）开机观测
天线架设完成后，经检查接收机和电源、接收机和天线间的连接情况无误后，按作业调度表规定的时间开机作业，并逐项填写外业观测手簿。
具体操作步骤和方法依接收机的类型而异，但观测期间，操作员应注意以下几方面：
1）必须在接收机有关指示灯和仪表正常时，进行测站、时段信息输入；
2）注意查看接收卫星数、卫星号、相位测量残差、实时定位结果及其变化、存储介质以及电源情况等；
3）不得随意关机并重新启动，不准改动卫星高度角的限值，不准改变数据采样间隔和仪器高等信息。
（3）GPS外业测量手簿
测量手簿应全面记录测站的相关信息，应该现场填写，并有可追溯性，以便内业计算时使用。
手簿中应记录测站名称（测站号）、观测时段号、观测日期、观测者、测站类别（新选点、
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