馮艷杰，衛(wèi)建峰

(1.武漢市勘測設計研究院，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、工程結構復雜、技術難度大、施工周期長、地理位置特殊、政治意義重大、環(huán)保要求高、建設要求及標準高等突出特點。大橋建設過程中施工測量和打樁定位技術成為保障整個工程建設的關鍵技術，為保障測量精度和施工效率，建設了基于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量，因此，建設一個對CORS實時監(jiān)測的系統(tǒng)非常必要。

2 實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計思路

本文主要研究的是在建成CORS系統(tǒng)中建設一個連續(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的精度穩(wěn)定性。其設計流程如圖1所示。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)技術路線圖

2.1 監(jiān)測站的建立

首先建設監(jiān)測站，根據(jù)CORS網(wǎng)分布，監(jiān)測站應該位于CORS系統(tǒng)網(wǎng)型控制范圍內，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，標準較參考站觀測段低，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)測站點的精確坐標監(jiān)測軟件所使用的坐標為聯(lián)測解算數(shù)據(jù)成果的WGS－84坐標。

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，硬件條件基本達到。對監(jiān)測站接收機進行必要的設置:①設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數(shù)據(jù);②設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)絡通信條件具備的位置就可以架設監(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，實現(xiàn)監(jiān)測站與控制中心的雙向通信。本項目監(jiān)測站建設在珠?？刂浦行奶?，可以采用RS232數(shù)據(jù)線實現(xiàn)通信，最為節(jié)約費用。監(jiān)測軟件服務器設在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)。同時預留本項目今后增加新的監(jiān)測站，設計使用遠程通信，通過MOXA的串口轉換器，將RJ45接口轉為RS232接口，實現(xiàn)監(jiān)測站與控制中心的遠程通信。

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，生成一個虛擬的參考站，提供該虛擬參考站的差分數(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，將結果顯示在軟件界面上，包括監(jiān)測站收星狀況、當前位置以及與已知坐標的偏差等。軟件計算當前經(jīng)度、緯度、高度三維坐標相對已知坐標的差值，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，其所用大地水準面為某個Globe水準面模型，不知其出處，水準面異常值完全不同于HZMB—CORS系統(tǒng)自有的似大地水準面數(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，按定位信息與預先設置好的監(jiān)測站已知坐標進行對比，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)報警設置

監(jiān)測軟件有實時監(jiān)測限差值與報警形式設置選項，根據(jù)HZMB－CORS系統(tǒng)的流動站精度要求設定偏移限差，當實時數(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)設置

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

(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、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 坐標設置

圖7 歷史數(shù)據(jù)高度偏差圖

圖8 平均坐標計算

圖9 固定解百分比計算

4 結論

實時監(jiān)測系統(tǒng)分析在一天當中不同時段CORS系統(tǒng)提供的差分數(shù)據(jù)解的精度變化，判斷是否在需要的精度限差內。如果在電離層活動或其他因素影響嚴重的時段，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)測站運行的結果也證明了港珠澳大橋CORS系統(tǒng)的建設達到了設計目標。

［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］康應祥.佛山市CORS系統(tǒng)測量質量控制方法與測量結果分析研究［J］.工程技術，2011(2):27～28

［4］徐鳳喜，禹云亮，陳張平.?？谑羞B續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務系統(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)