熊 偉 吳迪軍

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

港珠澳大橋是具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)跨海通道，由海中橋隧工程和香港、珠海、澳門(mén)三地口岸及連接線構(gòu)成。海中橋隧工程總長(zhǎng)約35.6 km，由海底隧道(長(zhǎng)約6.7 km)、兩個(gè)人工島及橋梁(總長(zhǎng)約22.9 km)組成，橋位處跨海距離超過(guò)32 km。海底隧道施工定位精度要求高，海中工程施工無(wú)法使用常規(guī)測(cè)量方法完成定位，必須采用衛(wèi)星定位技術(shù)。為此，在工程開(kāi)工前建立了工程專用GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為HZMB-CORS)。目前，系統(tǒng)運(yùn)行正常并在工程建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

與國(guó)內(nèi)外已建成的區(qū)域CORS[1-2]和其他工程CORS[3]相比，HZMB-CORS的建設(shè)難度更大，需要解決的技術(shù)問(wèn)題更多、更復(fù)雜。

①定位精度要求高：水平方向優(yōu)于2 cm，垂直方向優(yōu)于3 cm。我國(guó)已建成的省級(jí)、城市級(jí)區(qū)域CORS及工程CORS的實(shí)時(shí)定位精度一般為：水平≤3 cm，垂直≤5 cm，本系統(tǒng)的精度要求明顯高于其他已建CORS系統(tǒng)。

②跨境協(xié)調(diào)難度大：HZMB-CORS跨越香港、珠海、澳門(mén)兩岸三地，需要解決參考站建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通訊、無(wú)線電臺(tái)頻率申請(qǐng)審批及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換等一系列跨境技術(shù)難題。

③系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性要求高：工程施工期間，系統(tǒng)必須提供24 h連續(xù)不間斷的實(shí)時(shí)差分定位服務(wù)。

④衛(wèi)星定位環(huán)境惡劣：大橋處于低緯度地區(qū)，工程區(qū)域內(nèi)電離層十分活躍，山巒起伏、植被覆蓋率高，海面水域?qū)掗?，施工中信?hào)干擾較大，導(dǎo)致對(duì)流層延遲、電離層延遲、多路徑效應(yīng)等各類衛(wèi)星定位誤差影響突出，嚴(yán)重制約系統(tǒng)定位精度的提高。

近十余年來(lái)，省級(jí)、城市級(jí)區(qū)域CORS在我國(guó)得到了空前的發(fā)展[4-6]，但工程CORS在我國(guó)仍處于起步階段，尚無(wú)完整意義上的工程CORS系統(tǒng)用于工程施工。長(zhǎng)距離、超長(zhǎng)距離跨海橋隧工程的快速發(fā)展，給工程CORS系統(tǒng)帶來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。以港珠澳大橋?yàn)橐劳?，重點(diǎn)研究工程CORS設(shè)計(jì)和建設(shè)中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HZMB-CORS系統(tǒng)由分布在珠海、香港兩地及海中的4個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站、1個(gè)數(shù)據(jù)中心和1個(gè)監(jiān)測(cè)站組成(如圖1所示)。

圖1 HZMB-CORS參考站網(wǎng)分布

HZMB-CORS由參考站網(wǎng)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、用戶服務(wù)子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)5大子系統(tǒng)組成。參考站網(wǎng)子系統(tǒng)(Reference Station Sub-System)簡(jiǎn)稱RSS，參考站簡(jiǎn)稱RS；數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)(System Monitoring and Analysis Center)簡(jiǎn)稱SMAC；數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng) (Data Transfers Sub-System)簡(jiǎn)稱DTS；用戶服務(wù)子系統(tǒng) (User Application Sub-System)簡(jiǎn)稱UAS；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)(Real Time Monitoring Sub-System)簡(jiǎn)稱RTMS。HZMB-CORS的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。參考站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)首先通過(guò)專線通訊網(wǎng)匯集到數(shù)據(jù)中心，在中心服務(wù)器上使用GPSNet軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一解算和原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)向流動(dòng)站用戶GNSS接收機(jī)發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，提供厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位服務(wù)。同時(shí)，在珠海野貍島、香港虎山及東人工島參考站上分別架設(shè)無(wú)線電臺(tái)，發(fā)送傳統(tǒng)的差分信號(hào)，作為網(wǎng)絡(luò)RTK的一種輔助方式，為流動(dòng)站用戶提供常規(guī)RTK定位服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)信號(hào)覆蓋整個(gè)工程區(qū)域，能為大橋建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間的測(cè)量定位、變形監(jiān)測(cè)及海上導(dǎo)航等提供各種精度的GNSS差分服務(wù)。

(2)采用GPRS/CDMA通訊技術(shù)和UHF無(wú)線電臺(tái)廣播兩種方式向流動(dòng)站播發(fā)差分信號(hào)，為流動(dòng)站用戶提供GNSS實(shí)時(shí)差分定位服務(wù)(非完全隱蔽區(qū)內(nèi)定位精度優(yōu)于：平面±2 cm，高程±3 cm)。

(3)通過(guò)Internet或其他手段，向用戶提供事后精密定位服務(wù)。

(4)系統(tǒng)安全性良好，能夠有效抵御惡劣氣候等外界因素對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，同時(shí)防止非授權(quán)用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)等其他手段訪問(wèn)系統(tǒng)。

(5)系統(tǒng)具備工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)保密功能。將工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，對(duì)于用戶的實(shí)時(shí)請(qǐng)求，服務(wù)器直接計(jì)算并轉(zhuǎn)換出工程坐標(biāo)給用戶，用戶無(wú)需在自己的手簿中輸入轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(6)實(shí)現(xiàn)參考站無(wú)人值守、自動(dòng)運(yùn)行，年運(yùn)行可靠率95%以上。

(7)具備系統(tǒng)設(shè)備完好性檢測(cè)功能，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行自檢，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)有報(bào)警功能。

(8)支持?jǐn)?shù)據(jù)中心以遠(yuǎn)程方式對(duì)參考站設(shè)備(接收機(jī)、氣象儀、UPS電源)進(jìn)行設(shè)定、控制和檢測(cè)。

2 系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)工程施工實(shí)際情況，采取統(tǒng)一規(guī)劃、分階段實(shí)施的建設(shè)方案。第一階段建成由珠海YELI、YNHN和香港HUSN 3個(gè)參考站及數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測(cè)站構(gòu)成的完整CORS系統(tǒng)；第二階段，在海中測(cè)量平臺(tái)建成后，增設(shè)東人工島參考站，并入HZMB-CORS。第一階段的系統(tǒng)建設(shè)于2010年3月開(kāi)始，同年11月建成并通過(guò)專家驗(yàn)收。第二階段的建設(shè)也已完成，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收后即將投入正式運(yùn)行。系統(tǒng)建設(shè)主要參考參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范[7]等國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并充分考慮到工程需求及場(chǎng)地條件。

2.1 參考站選址與測(cè)試

參考站站址處應(yīng)視野開(kāi)闊，距易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地物的距離不小于200m，具有10°以上地平高度角的衛(wèi)星通視條件，站點(diǎn)200m范圍內(nèi)無(wú)強(qiáng)電磁場(chǎng)或者發(fā)射源，避開(kāi)易產(chǎn)生振動(dòng)的地帶。應(yīng)選擇地質(zhì)條件良好、地基穩(wěn)定的地方建站，盡可能將觀測(cè)墩建在基巖上。應(yīng)能提供安全可靠的交流電電源、通信系統(tǒng)，便于接入公共通信網(wǎng)絡(luò)；交通應(yīng)便利，便于觀測(cè)和維護(hù)。根據(jù)以上原則，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析和實(shí)地踏勘，選定珠海野貍島(YELI)、洋環(huán)(YNHN)、香港虎山(HUSN)站和海中東人工島站(DRGD)站址。

站址初步選定后，進(jìn)行了選址測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括：無(wú)線電信號(hào)測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)通訊接收GDCORS信號(hào)測(cè)試和參考站處?kù)o態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試三個(gè)部分[8]。實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明：無(wú)線電臺(tái)信號(hào)可完全覆蓋港珠澳大橋主體工程施工區(qū)域，虎山、野貍島、洋環(huán)和東人工島4個(gè)參考站處信號(hào)接收狀況良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 參考站建設(shè)

(1)土建工程

參考站土建工程包括觀測(cè)墩、電臺(tái)天線柱、供電設(shè)施、通訊網(wǎng)絡(luò)工程、防雷設(shè)施等參考站設(shè)施的施工。觀測(cè)墩的設(shè)計(jì)和建造均根據(jù)站址地形地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，要求各參考站控制點(diǎn)年最大位移量在±2 mm以內(nèi)，確保其穩(wěn)定性滿足高精度定位的需要。

野貍島參考站觀測(cè)墩建造在穩(wěn)固的巖石基礎(chǔ)上，觀測(cè)墩基礎(chǔ)嵌入巖面以下1.4 m。洋環(huán)參考站觀測(cè)墩基座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基座嵌入巖面以下0.3 m?；⑸絽⒖颊窘ㄔ煸趫?jiān)硬土層上，觀測(cè)墩地基土表層為花崗巖殘積層，底部為花崗巖中等風(fēng)化層，底部土層承載力大于1 500 kPa，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)圖要求的200 kPa。東人工島參考站建造在穩(wěn)固的海中測(cè)量平臺(tái)上。

(2)電力工程

各陸地參考站采用就近專線專變壓器接入市電、大容量USP補(bǔ)充的方式供電。海上東人工島參考站采用太陽(yáng)能電池板和USP結(jié)合方式供電，保證各參考站連續(xù)不間斷運(yùn)行。

(3)防雷工程

直擊雷防護(hù)工程主要包括避雷針的安裝、接地網(wǎng)的安裝以及設(shè)備等電位接地處理。經(jīng)過(guò)接地電阻測(cè)試，野貍島站、洋環(huán)站及虎山站的接地網(wǎng)竣工實(shí)測(cè)接地電阻分別為3.2 Ω、2.4 Ω及3.4 Ω，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求(接地電阻不大于4 Ω)。

(4)設(shè)備安裝調(diào)試

參考站的核心設(shè)備為T(mén)rimble NetR8/R9型GPS接收機(jī)及Trimble Zephyr Geodetic 2天線，并配備電臺(tái)、氣象儀、UPS、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等其他設(shè)備。

2.3 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)與建設(shè)

數(shù)據(jù)中心是HZMB-CORS的核心單元，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等軟硬件組成，與各參考站之間依靠光纖專線網(wǎng)絡(luò)連接。數(shù)據(jù)中心具備數(shù)據(jù)處理、運(yùn)營(yíng)管理和信息服務(wù)三大主要功能。數(shù)據(jù)中心機(jī)房組成獨(dú)立的局域網(wǎng)，并與監(jiān)測(cè)站相連，通過(guò)專用的監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。

數(shù)據(jù)處理軟件采用GPSNet V2.74及其配套軟件，能同時(shí)對(duì)GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)測(cè)試期間的試運(yùn)行，軟件能夠解算出(Sloved)的衛(wèi)星數(shù)和跟蹤到(Tracked)并參與解算(Processed)的衛(wèi)星數(shù)基本相同，少有衛(wèi)星解算不出固定解的情況。測(cè)試結(jié)果顯示：系統(tǒng)在24 h內(nèi)的可用性為97.1%，達(dá)到了95%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與建設(shè)

通訊網(wǎng)絡(luò)是CORS系統(tǒng)的重要組成部分，其傳輸速率與穩(wěn)定性直接影響CORS系統(tǒng)運(yùn)行，HZMB-CORS系統(tǒng)選擇最為穩(wěn)定與高質(zhì)量的通訊線路。

野貍島、洋環(huán)2個(gè)站點(diǎn)采用2M SDH/MSTP專線方式與數(shù)據(jù)中心相連；香港虎山、采用1M MPLS VPN方式與數(shù)據(jù)中心相連；數(shù)據(jù)中心使用4M光纖與各參考站連接，各參考站與數(shù)據(jù)中心全部采用專線方式連接，保證數(shù)據(jù)中心能快速獲得各參考站的GNSS數(shù)據(jù)流。同時(shí)數(shù)據(jù)中心通過(guò)1M光纖專線連接Internet網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)固定IP向流動(dòng)站用戶提供差分改正數(shù)據(jù)。

2.5 監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)與建設(shè)

HZMB-CORS是大橋建設(shè)中具有控制作用的基礎(chǔ)性設(shè)施之一，其定位精度及其可靠性將直接影響到大橋施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。為實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性及可用性，專門(mén)設(shè)計(jì)和建立了一個(gè)監(jiān)測(cè)站對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行連續(xù)不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便對(duì)系統(tǒng)故障及時(shí)報(bào)警并做出相應(yīng)處理。

監(jiān)測(cè)站通過(guò)線纜與安置在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的GNSS主機(jī)相連，GNSS通過(guò)串口與解算服務(wù)器相連，用VRS方式進(jìn)行定位，觀測(cè)數(shù)據(jù)直接傳入數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測(cè)軟件中，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)的定位情況，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)站的WGS-84坐標(biāo)、衛(wèi)星數(shù)與HDOP值、定位狀態(tài)、實(shí)時(shí)坐標(biāo)與已知坐標(biāo)的較差等信息，并具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)警等功能。

2.6 參考站坐標(biāo)與高程聯(lián)測(cè)

將HZMB-CORS參考站及監(jiān)測(cè)站與先期建立的港珠澳大橋首級(jí)控制網(wǎng)[9]進(jìn)行坐標(biāo)和高程聯(lián)測(cè)，將首級(jí)控制網(wǎng)測(cè)量基準(zhǔn)精確傳遞到HZMB-CORS參考站網(wǎng)上，建立港珠澳大橋工程坐標(biāo)系[10]，為后續(xù)工程勘察設(shè)計(jì)和施工提供統(tǒng)一的坐標(biāo)基準(zhǔn)。通過(guò)聯(lián)測(cè)得到參考站的ITRF2005框架坐標(biāo)、橋梁工程坐標(biāo)及隧道工程坐標(biāo)、1954年北京坐標(biāo)、香港坐標(biāo)以及澳門(mén)坐標(biāo)，并確定各坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

坐標(biāo)聯(lián)測(cè)參照國(guó)家B級(jí)GPS網(wǎng)精度執(zhí)行，采用國(guó)際先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件和精密星歷進(jìn)行基線解算，使用武漢大學(xué)研制的CosaGPS軟件進(jìn)行網(wǎng)平差。解算結(jié)果顯示：參考站及監(jiān)測(cè)站在橋梁工程坐標(biāo)系中的二維點(diǎn)位精度均優(yōu)于3 mm。參考站墩頂高程采用倒懸水準(zhǔn)尺二等精密水準(zhǔn)測(cè)量方法連測(cè)，并以三角高程測(cè)量方法進(jìn)行校核。測(cè)得的各參考站水準(zhǔn)高程與三角高程的較差均小于1 mm。

2.7 精化似大地水準(zhǔn)面模型的應(yīng)用

港珠澳大橋首級(jí)控制網(wǎng)建網(wǎng)期間，建立了大橋區(qū)域高精度局部大地水準(zhǔn)面模型。為了檢驗(yàn)該模型的精度，在香港、珠海和澳門(mén)三地選擇27個(gè)已知水準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)GPS靜態(tài)觀測(cè)測(cè)定各點(diǎn)的大地經(jīng)、緯度和大地高，應(yīng)用該模型計(jì)算高程異常，得到各點(diǎn)的擬合高程，再與已知高程比較，計(jì)算出擬合正常高與已知水準(zhǔn)高的較差。測(cè)試結(jié)果顯示：測(cè)試點(diǎn)高程較差的均值為6 mm，滿足本系統(tǒng)應(yīng)用的需要。

將精化似大地水準(zhǔn)面成果植入HZMB-CORS數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，通過(guò)Trimble Transformation Generator(TTG)配合GPSNet軟件，即可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)站RTK作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)獲得正常高數(shù)據(jù)，供流動(dòng)站用戶實(shí)時(shí)獲得高精度的高程定位結(jié)果。

2.8 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

在第一階段建設(shè)完成后進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，包括系統(tǒng)可用性測(cè)試與實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試兩部分。可用性測(cè)試主要在海中主體工程施工區(qū)域進(jìn)行，測(cè)試點(diǎn)分布于港珠澳大橋主體工程中線兩側(cè)約2.5 km范圍內(nèi)，測(cè)試CORS系統(tǒng)在海上工程施工區(qū)域內(nèi)的可用范圍及初始化時(shí)間。實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試在26個(gè)測(cè)試點(diǎn)(包括首級(jí)控制點(diǎn)、首級(jí)加密點(diǎn)及新增測(cè)試點(diǎn))上進(jìn)行，測(cè)試點(diǎn)分布于珠海、香港、澳門(mén)及珠澳口岸人工島上。通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，得出：網(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)在海中可覆蓋港珠澳大橋主體工程建設(shè)區(qū)域。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度：平面為1.0 cm，高程為1.4 cm，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm”的精度要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)獨(dú)立的基于VRS的工程CORS，也是首個(gè)跨境工程CORS。系統(tǒng)采用目前世界上先進(jìn)的GNSS參考站設(shè)備和系統(tǒng)軟件，建立了高效的光纖專線網(wǎng)絡(luò)及安全性高的防雷設(shè)施，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性高；提供多種定位方式，系統(tǒng)定位服務(wù)范圍可覆蓋港珠澳大橋主體工程建設(shè)區(qū)域；將精化大地水準(zhǔn)面模型應(yīng)用到系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位的高程精度；建立了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)軟件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了工程CORS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

系統(tǒng)自2010年11月正式投入正式運(yùn)行以來(lái)，已在大橋建設(shè)期間經(jīng)受了檢驗(yàn)，總體上講，系統(tǒng)本身運(yùn)行情況良好，全面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo)。作為國(guó)內(nèi)首個(gè)直接用于施工的工程CORS，無(wú)類似的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，因此，面對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境和施工條件，會(huì)出現(xiàn)許多新的困難，需要在使用過(guò)程中不斷摸索并加以解決，不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善和改進(jìn)，提高系統(tǒng)性能，使其更好地為港珠澳大橋施工提供定位服務(wù)。

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