港珠澳大橋CORS系統(tǒng)穩(wěn)定性實時監(jiān)測研究

馮艷杰，衛(wèi)建峰

(1.武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北 武漢 430022;2.武漢天寶耐特科技有限公司，湖北 武漢 430079)

1 引言

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，是列入“國家科技支撐計劃項目”的重要交通建設(shè)項目。港珠澳大橋海中橋隧工程總長約35.58 km，屬于特大型跨海通道，具有跨海距離長、工程規(guī)模大、工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、施工周期長、地理位置特殊、政治意義重大、環(huán)保要求高、建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)高等突出特點。大橋建設(shè)過程中施工測量和打樁定位技術(shù)成為保障整個工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，為保障測量精度和施工效率，建設(shè)了基于VRS(Virtue Reference Station)的工程CORS(Continue Operating Reference Stations)。

港珠澳大橋連續(xù)運行參考站(以下簡寫HZMBCORS)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性受電離層、衛(wèi)星分布、觀測環(huán)境多種因素影響。港珠澳大橋位于低緯度地區(qū)，該區(qū)電離層很活躍，尤其是每天下午13時～18時高峰時尤其明顯，可能會影響到GPS的定位精度。而港珠澳大橋每天24小時都在施工，對穩(wěn)定性的要求很高，如果在系統(tǒng)不夠穩(wěn)定、定位精度達不到要求時的施工，必將影響到港珠澳大橋的質(zhì)量，因此，建設(shè)一個對CORS實時監(jiān)測的系統(tǒng)非常必要。

2 實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思路

本文主要研究的是在建成CORS系統(tǒng)中建設(shè)一個連續(xù)運行的流動站，通過對流動站的定位數(shù)據(jù)進行解算、統(tǒng)計、分析RTK級別流動站定位的精度，來監(jiān)測CORS系統(tǒng)的流動站提供差分服務(wù)的精度穩(wěn)定性。其設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2.1 監(jiān)測站的建立

首先建設(shè)監(jiān)測站，根據(jù)CORS網(wǎng)分布，監(jiān)測站應(yīng)該位于CORS系統(tǒng)網(wǎng)型控制范圍內(nèi)，選擇接收衛(wèi)星、供電、通信條件好，維護便利的地點，如穩(wěn)固的樓頂。監(jiān)測站可以使用水泥觀測墩或鋼標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)較參考站觀測段低，要求穩(wěn)固牢靠，能夠避免外界環(huán)境對監(jiān)測精度產(chǎn)生影響即可。監(jiān)測站點需要與CORS系統(tǒng)的參考站點聯(lián)測，求得監(jiān)測站點的精確坐標(biāo)監(jiān)測軟件所使用的坐標(biāo)為聯(lián)測解算數(shù)據(jù)成果的WGS－84坐標(biāo)。

固定好監(jiān)測站天線，連通天線電纜與監(jiān)測站接收機，接入電源與通信網(wǎng)絡(luò)，硬件條件基本達到。對監(jiān)測站接收機進行必要的設(shè)置:①設(shè)置接收機的通信端口。使用自定義的無線電臺，接收串口過來的差分?jǐn)?shù)據(jù);②設(shè)置接收機的另一個數(shù)據(jù)口輸出NMEA－0183 GGA格式數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測站與CORS的通訊

監(jiān)測軟件兼容COM口與TCP/IP端口的通信，可以方便地在串口通信與網(wǎng)絡(luò)通信之間切換，使得監(jiān)測站與CORS控制中心的距離不再受到限制，只要網(wǎng)絡(luò)通信條件具備的位置就可以架設(shè)監(jiān)測站。

監(jiān)測站與CORS中心的通信方式可以根據(jù)實地情況選擇移動或固定VPN通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測站與控制中心的雙向通信。本項目監(jiān)測站建設(shè)在珠海控制中心處，可以采用RS232數(shù)據(jù)線實現(xiàn)通信，最為節(jié)約費用。監(jiān)測軟件服務(wù)器設(shè)在CORS系統(tǒng)控制中心，方便管理人員及時監(jiān)控整套系統(tǒng)，并根據(jù)監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)及時修正CORS系統(tǒng)。同時預(yù)留本項目今后增加新的監(jiān)測站，設(shè)計使用遠(yuǎn)程通信，通過MOXA的串口轉(zhuǎn)換器，將RJ45接口轉(zhuǎn)為RS232接口，實現(xiàn)監(jiān)測站與控制中心的遠(yuǎn)程通信。

CORS系統(tǒng)與監(jiān)測站通信具體實施方法:使用RS232串口通信線將CORS服務(wù)器與監(jiān)測站接收機通信接口連接，在VRS的GPSNet軟件中建立一個COM通信接口，直接定義一個近似的監(jiān)測站坐標(biāo)，生成一個虛擬的參考站，提供該虛擬參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù)給監(jiān)測站，監(jiān)測站在GPSnet軟件中就是一個流動站。同時使用另外一條RS232通信線將監(jiān)測站接收機的數(shù)據(jù)口連接至監(jiān)測軟件服務(wù)器，提供實時解算成果數(shù)據(jù)供監(jiān)測軟件使用。

2.3 監(jiān)測軟件分析

監(jiān)測軟件接收監(jiān)測站接收機輸出的NMEA－0183

GGA格式數(shù)據(jù)，并對該數(shù)據(jù)進行解算并分析，將結(jié)果顯示在軟件界面上，包括監(jiān)測站收星狀況、當(dāng)前位置以及與已知坐標(biāo)的偏差等。軟件計算當(dāng)前經(jīng)度、緯度、高度三維坐標(biāo)相對已知坐標(biāo)的差值，并繪制實時的三維偏差圖形，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 經(jīng)度偏移

圖3 緯度偏移

圖4 高度偏移

計算所使用的GGA數(shù)據(jù)格式包含有監(jiān)測站定位狀態(tài)信息等，其關(guān)鍵數(shù)據(jù)塊如下:

這里需要特別注意的是，軟件在WGS－84系統(tǒng)中分析比較緯度、經(jīng)度與高度，而GGA格式中直接輸出的卻是海拔高程，其所用大地水準(zhǔn)面為某個Globe水準(zhǔn)面模型，不知其出處，水準(zhǔn)面異常值完全不同于HZMB—CORS系統(tǒng)自有的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，無法適用于我們測量工作，監(jiān)測軟件將不采用其海拔高程。因此需要將海拔高程換算成WGS－84橢球高度。

其中H是監(jiān)測站點的橢球高度，h1是 GGA語句中的海拔高度(字段9)，h2是GGA語句中地球橢球面相對大地水準(zhǔn)面的高度(字段10)，h為天線相位中心相對監(jiān)測點的高。

3 實時監(jiān)測系統(tǒng)的功能

(1)實時數(shù)據(jù)顯示

在程序運行過程中一直處于實時監(jiān)測狀態(tài)，在監(jiān)測過程中實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接受和處理，按定位信息與預(yù)先設(shè)置好的監(jiān)測站已知坐標(biāo)進行對比，繪制經(jīng)度、緯度、高度三個方向上的實時偏差圖形，并在偏差超出限差時，軟件會及時以警報聲或屏幕上閃爍顏色的形式進行報警，如圖2、圖3、圖4所示。

(2)歷史數(shù)據(jù)查詢

除了實時偏差圖形報警，將接收到的數(shù)據(jù)存儲于SQL Server數(shù)據(jù)庫中，既提升了數(shù)據(jù)存儲的安全性，又便于后期的計算分析比對。同時，能夠計算這些比對數(shù)據(jù)與統(tǒng)計固定解比例等信息，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫接收到的數(shù)據(jù)

(3)報警設(shè)置

監(jiān)測軟件有實時監(jiān)測限差值與報警形式設(shè)置選項，根據(jù)HZMB－CORS系統(tǒng)的流動站精度要求設(shè)定偏移限差，當(dāng)實時數(shù)值超出限差時軟件將以聲光方式報警。提示管理員。

(4)系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)HZMB－CORS系統(tǒng)使用要求設(shè)置已知坐標(biāo)、報警參數(shù)、接口參數(shù)等。圖6為監(jiān)測站已知坐標(biāo)設(shè)置界面。

(5)歷史數(shù)據(jù)分析

軟件支持回差歷史數(shù)據(jù)，計算某段時間的監(jiān)測站的平均坐標(biāo)、固定解比率等，并能繪制長時間的偏差圖，方便管理員查詢歷史事件，如圖7、圖8、圖9所示。

圖6 坐標(biāo)設(shè)置

圖7 歷史數(shù)據(jù)高度偏差圖

圖8 平均坐標(biāo)計算

圖9 固定解百分比計算

4 結(jié)論

實時監(jiān)測系統(tǒng)分析在一天當(dāng)中不同時段CORS系統(tǒng)提供的差分?jǐn)?shù)據(jù)解的精度變化，判斷是否在需要的精度限差內(nèi)。如果在電離層活動或其他因素影響嚴(yán)重的時段，監(jiān)測站超限，軟件自動報警提示，管理員可以及時通知施工單位暫停作業(yè)。

實時監(jiān)測系統(tǒng)運行半年來，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確，在港珠澳大橋CORS的穩(wěn)定運行起到了重要的作用。港珠澳大橋CORS系統(tǒng)決定著特大橋的施工精度，對系統(tǒng)的精度要求很高，水平精度要求≤2 cm，垂直精度要求≤3 cm，監(jiān)測站運行的結(jié)果也證明了港珠澳大橋CORS系統(tǒng)的建設(shè)達到了設(shè)計目標(biāo)。

［1］李軍正，郝金明，李建文等.GPS虛擬參考站原理及實測精度驗證分析［J］.測繪工程，2009(4):21～27

［2］丁玉平，許友清.區(qū)域CORS系統(tǒng)的定位精度分析［J］.測繪通報，2011(3):86～87

［3］康應(yīng)祥.佛山市CORS系統(tǒng)測量質(zhì)量控制方法與測量結(jié)果分析研究［J］.工程技術(shù)，2011(2):27～28

［4］徐鳳喜，禹云亮，陳張平.海口市連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(HK－CORS)精度測試.科技咨詢，2011(1):2～3

［5］鄂棟臣，詹必偉，姜衛(wèi)平等.應(yīng)用軟件進行高精度GAMIT/GLOBK軟件進行高精度GPS數(shù)據(jù)處理.極地研究，2005(3)