平潭海峽公鐵兩用大橋工程CORS關(guān)鍵技術(shù)

何廣源，吳迪軍，李劍坤

（1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430050）

平潭海峽公鐵兩用大橋工程CORS關(guān)鍵技術(shù)

何廣源1，吳迪軍1，李劍坤1

（1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430050）

介紹了平潭海峽公鐵兩用大橋連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)建設(shè)中的若干關(guān)鍵技術(shù)，探討相應(yīng)的解決方案，為其他類似工程CORS建設(shè)提供參考。

跨海大橋；CORS；關(guān)鍵技術(shù)；似大地水準(zhǔn)面

近年來，GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CORS）技術(shù)逐漸被應(yīng)用到跨海橋梁工程建設(shè)中。2010年11月，港珠澳大橋GNSS 連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（HZMB-CORS）建成并投入正式運(yùn)行[1]，該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)獨(dú)立的基于VRS 的工程CORS，系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的平面精度優(yōu)于2 cm，高程精度優(yōu)于3 cm。相對(duì)于區(qū)域CORS、城市CORS來說，工程CORS的服務(wù)范圍小、獨(dú)立性強(qiáng)，但其定位精度、可靠性、可用性和穩(wěn)定性等要求更高。以平潭海峽公鐵兩用大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PTDQ-CORS）為例，對(duì)工程CORS建設(shè)中的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和分析，為其他類似工程CORS建設(shè)提供參考。

1 參考站選址測(cè)試

1.1 GNSS靜態(tài)定位測(cè)試

PTDQ-CORS由4個(gè)連續(xù)運(yùn)行的參考站、1個(gè)數(shù)據(jù)中心組成。建站前對(duì)各擬選參考站站址進(jìn)行不少于24 h的靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄測(cè)試，采用TEQC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星信號(hào)的接收狀況、數(shù)據(jù)刪除率、多路徑效應(yīng)、信噪比等指標(biāo)，綜合判斷被測(cè)試站址是否符合GNSS靜態(tài)觀測(cè)要求。表1為4個(gè)參考站站址GPS靜態(tài)觀測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析表，測(cè)試結(jié)果顯示所選站址的各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

表1 GPS靜態(tài)觀測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)分析表

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)測(cè)試

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)的強(qiáng)弱及穩(wěn)定性影響網(wǎng)絡(luò)RTK流動(dòng)站的定位速度和質(zhì)量，因此參考站建站前必須在施工區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK定位測(cè)試，來判斷網(wǎng)絡(luò)信號(hào)（GPRS/CDMA）的覆蓋范圍、可用性及穩(wěn)定性等情況。測(cè)試方案如下：通過計(jì)算機(jī)模擬發(fā)射網(wǎng)絡(luò)RTK信號(hào)，流動(dòng)站利用GPRS/CDMA通信模式進(jìn)行初始化，接收網(wǎng)絡(luò)RTK信號(hào)并記錄初始化時(shí)間及測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)等相關(guān)信息。測(cè)試軌跡圖和初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，橋址區(qū)域內(nèi)移動(dòng)通信信號(hào)穩(wěn)定且較強(qiáng)，能滿足流動(dòng)站網(wǎng)絡(luò)RTK的正常連接需求。

1.3 單基站無線電臺(tái)信號(hào)測(cè)試

在PTDQ-CORS的2個(gè)參考站上增設(shè)無線電臺(tái)，向海上流動(dòng)站發(fā)送常規(guī)RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)。參考站建設(shè)之前，進(jìn)行單基站電臺(tái)無線電信號(hào)的測(cè)試。測(cè)試目的有兩個(gè)：① 通過無線電臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，選擇其中受干擾最小、穩(wěn)定性強(qiáng)的常用頻段，作為無線電臺(tái)頻率設(shè)置的參考；② 測(cè)試不同功率發(fā)射的無線電信號(hào)的播發(fā)距離以及工程區(qū)域接收信號(hào)情況，確定能滿足海上施工GPS定位要求的發(fā)射功率。測(cè)試結(jié)果表明，流動(dòng)站在工程區(qū)域內(nèi)任何空曠位置均能接收兩個(gè)參考站無線電臺(tái)的差分信號(hào)。

2 數(shù)據(jù)通信模式設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

目前成熟的CORS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括虛擬參考站技術(shù)（VRS）、主輔站技術(shù)（MAC）、區(qū)域改正參數(shù)法技術(shù)（FKP）和綜合內(nèi)插技術(shù)（CBI）[2]。PTDQ-CORS采用基于VRS的Trimble Pivot平臺(tái)作為系統(tǒng)核心處理及管理軟件。系統(tǒng)采用雙服務(wù)器熱備份策略搭建系統(tǒng)構(gòu)架，通過基于域名系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡技術(shù)[3]，將兩臺(tái)服務(wù)器以對(duì)稱的方式組成一個(gè)服務(wù)器集合，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。PTDQ-CORS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信包括兩大組成部分：參考站與數(shù)據(jù)中心的通信、數(shù)據(jù)中心與用戶端的實(shí)時(shí)通信。

圖1 PTDQ-CORS網(wǎng)絡(luò)通信的總體結(jié)構(gòu)

2.2 參考站與數(shù)據(jù)中心的通信

參考站與數(shù)據(jù)中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求高，目前主要采用專線通信構(gòu)建局域網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)，根據(jù)不同的技術(shù)特點(diǎn)可分SDH專線、DDN專線和VPN虛擬專線[4]。其中，VPN虛擬專線具有以下特點(diǎn)：虛擬和專用，即利用公共網(wǎng)絡(luò)資源，不需要專門設(shè)置物理連接，具有專網(wǎng)特性，可實(shí)現(xiàn)公共資源與專用資源的合理配置，既能提高系統(tǒng)的運(yùn)作效率，又可以節(jié)約專線租用費(fèi)用。PTDQ-CORS采用基于VPN TCP/IP協(xié)議的光纖組網(wǎng)方式，通過固定IP地址實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)連接。為檢測(cè)該組網(wǎng)模式能否滿足系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求，在數(shù)據(jù)中心的命令終端對(duì)4個(gè)參考站進(jìn)行ping命令測(cè)試，測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)約65 h，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各參考站網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

從表2可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)丟包率和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可見采用該組網(wǎng)方式進(jìn)行參考站與數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)通信，能滿足系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 數(shù)據(jù)中心與用戶端的數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)中心與用戶端的數(shù)據(jù)通信采用具有效率高、穩(wěn)定在線、按流量計(jì)費(fèi)、費(fèi)用低等特點(diǎn)的分組交換方式（即無線上網(wǎng)連接方式），其基本原理是：流動(dòng)站用戶只需配備開通無線網(wǎng)絡(luò)GPRS/CDMA上網(wǎng)功能的GSM手機(jī)卡，通過授權(quán)訪問IP地址和端口號(hào)，即可訪問數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)中心根據(jù)獲取的NMEA信息，將NMEA信息和已估計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)為用戶生成VRS改正數(shù)，并進(jìn)行RTCM編碼；通過支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（Ntrip）的管理軟件，采用不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同格式的改正數(shù)據(jù)；用戶登錄選擇所需格式數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，就可實(shí)時(shí)地得到改正數(shù)據(jù)，完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位。

3 參考站坐標(biāo)聯(lián)測(cè)

3.1 參考站坐標(biāo)聯(lián)測(cè)

PTDQ-CORS的4個(gè)參考站與IGS站點(diǎn)、橋址附近3個(gè)福建省FJCORS參考站共同構(gòu)網(wǎng)，按國(guó)家B級(jí)網(wǎng)要求聯(lián)測(cè)7 d，計(jì)算得到參考站點(diǎn)在2000國(guó)家大地坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。由4個(gè)PTDQ-CORS站與工程施工首級(jí)控制點(diǎn)組成工程網(wǎng)，按B級(jí)網(wǎng)要求聯(lián)測(cè)4 d，計(jì)算得到參考站點(diǎn)的二維工程坐標(biāo)。參考站點(diǎn)的高程按國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量精度進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

3.2 參考站穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

受站址處地質(zhì)、氣候及其他不穩(wěn)定因素的影響，參考站點(diǎn)可能會(huì)產(chǎn)生位移，因此需要定期或不定期地對(duì)參考站點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析[5]。表3為PTDQ-CORS正式運(yùn)行半年后各站點(diǎn)空間坐標(biāo)變化統(tǒng)計(jì)表。從表中可知，4個(gè)參考站點(diǎn)具有良好的點(diǎn)位穩(wěn)定性。

表3 參考站點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)變化值統(tǒng)計(jì)表

4 精化似大地水準(zhǔn)面模型的應(yīng)用

進(jìn)行區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化是目前提高CORS系統(tǒng)高程精度最有效、可靠的手段[6,7]。PTDQ-CORS系統(tǒng)使用113個(gè)點(diǎn)的重力數(shù)據(jù)和工程網(wǎng)中15個(gè)GNSS水準(zhǔn)點(diǎn)資料計(jì)算分辨率為2'×2'的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型，通過線性內(nèi)插生成分辨率為1'×1'的似大地水準(zhǔn)面成果并植入CORS系統(tǒng)。圖2為PTDQ-CORS系統(tǒng)應(yīng)用流程圖。

PTDQ-CORS實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試結(jié)果顯示，引入工程區(qū)域局部似大地水準(zhǔn)面模型后，提高了網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)定位的高程精度，滿足“平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm”的精度設(shè)計(jì)要求。

圖2 PTDQ-CORS系統(tǒng)應(yīng)用流程圖

[1] 吳迪軍, 熊偉, 周瑞祥,等． 港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．測(cè)繪科學(xué), 2013, 38 (2):62-64

[2] 黃俊華, 陳文森． 連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M]．北京:科學(xué)出版社,2009

[3] 周瑩蓮, 劉甫． 服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2010, 38(4): 11-14

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P228

B

1672-4623（2017）10-0098-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.032

2015-09-14。

何廣源，碩士，工程師，研究方向?yàn)镚PS理論及其在大跨度橋梁中的應(yīng)用。