熊 偉 吳迪軍

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430050)

港珠澳大橋是具有國家戰(zhàn)略意義的世界級跨海通道，由海中橋隧工程和香港、珠海、澳門三地口岸及連接線構成。海中橋隧工程總長約35.6 km，由海底隧道(長約6.7 km)、兩個人工島及橋梁(總長約22.9 km)組成，橋位處跨海距離超過32 km。海底隧道施工定位精度要求高，海中工程施工無法使用常規(guī)測量方法完成定位，必須采用衛(wèi)星定位技術。為此，在工程開工前建立了工程專用GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(簡稱為HZMB-CORS)。目前，系統(tǒng)運行正常并在工程建設中發(fā)揮重要作用。

與國內外已建成的區(qū)域 CORS［1－2］和其他工程CORS［3］相比，HZMB-CORS 的建設難度更大，需要解決的技術問題更多、更復雜。

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。我國已建成的省級、城市級區(qū)域CORS及工程CORS的實時定位精度一般為: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)調難度大:HZMB-CORS跨越香港、珠海、澳門兩岸三地，需要解決參考站建設、網(wǎng)絡通訊、無線電臺頻率申請審批及坐標系統(tǒng)轉換等一系列跨境技術難題。

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)不間斷的實時差分定位服務。

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)域內電離層十分活躍，山巒起伏、植被覆蓋率高，海面水域寬闊，施工中信號干擾較大，導致對流層延遲、電離層延遲、多路徑效應等各類衛(wèi)星定位誤差影響突出，嚴重制約系統(tǒng)定位精度的提高。

近十余年來，省級、城市級區(qū)域CORS在我國得到了空前的發(fā)展［4－6］，但工程 CORS在我國仍處于起步階段，尚無完整意義上的工程CORS系統(tǒng)用于工程施工。長距離、超長距離跨海橋隧工程的快速發(fā)展，給工程CORS系統(tǒng)帶來了良好的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。以港珠澳大橋為依托，重點研究工程CORS設計和建設中的相關關鍵技術問題。

1 系統(tǒng)的總體設計

1.1 系統(tǒng)組成與結構設計

HZMB-CORS系統(tǒng)由分布在珠海、香港兩地及海中的4個連續(xù)運行參考站、1個數(shù)據(jù)中心和1個監(jiān)測站組成(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)、用戶服務子系統(tǒng)和實時監(jiān)測子系統(tǒng)5大子系統(tǒng)組成。參考站網(wǎng)子系統(tǒng)(Reference Station Sub-System)簡稱RSS，參考站簡稱RS;數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)(System Monitoring and Analysis Center)簡稱SMAC;數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng) (Data Transfers Sub-System)簡稱DTS;用戶服務子系統(tǒng) (User Application Sub-System)簡稱UAS;實時監(jiān)測子系統(tǒng)(Real Time Monitoring Sub－System)簡稱RTMS。HZMB-CORS的總體結構設計如圖2所示。參考站的GNSS觀測數(shù)據(jù)首先通過專線通訊網(wǎng)匯集到數(shù)據(jù)中心，在中心服務器上使用GPSNet軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一解算和原始數(shù)據(jù)存儲，并通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡向流動站用戶GNSS接收機發(fā)送差分數(shù)據(jù)，提供厘米級的實時定位服務。同時，在珠海野貍島、香港虎山及東人工島參考站上分別架設無線電臺，發(fā)送傳統(tǒng)的差分信號，作為網(wǎng)絡RTK的一種輔助方式，為流動站用戶提供常規(guī)RTK定位服務。

圖2 系統(tǒng)總體結構設計

1.2 系統(tǒng)功能設計

(1)系統(tǒng)信號覆蓋整個工程區(qū)域，能為大橋建設及運營期間的測量定位、變形監(jiān)測及海上導航等提供各種精度的GNSS差分服務。

(2)采用GPRS/CDMA通訊技術和UHF無線電臺廣播兩種方式向流動站播發(fā)差分信號，為流動站用戶提供GNSS實時差分定位服務(非完全隱蔽區(qū)內定位精度優(yōu)于:平面±2 cm，高程±3 cm)。

(3)通過Internet或其他手段，向用戶提供事后精密定位服務。

(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系統(tǒng)正常運轉的影響，同時防止非授權用戶通過網(wǎng)絡等其他手段訪問系統(tǒng)。

(5)系統(tǒng)具備工程坐標轉換參數(shù)保密功能。將工程坐標轉換參數(shù)設置于數(shù)據(jù)中心服務器中，對于用戶的實時請求，服務器直接計算并轉換出工程坐標給用戶，用戶無需在自己的手簿中輸入轉換參數(shù)。

(6)實現(xiàn)參考站無人值守、自動運行，年運行可靠率95%以上。

(7)具備系統(tǒng)設備完好性檢測功能，系統(tǒng)自動對設備進行自檢，出現(xiàn)問題時有報警功能。

(8)支持數(shù)據(jù)中心以遠程方式對參考站設備(接收機、氣象儀、UPS電源)進行設定、控制和檢測。

2 系統(tǒng)建設

根據(jù)工程施工實際情況，采取統(tǒng)一規(guī)劃、分階段實施的建設方案。第一階段建成由珠海YELI、YNHN和香港HUSN 3個參考站及數(shù)據(jù)中心，監(jiān)測站構成的完整CORS系統(tǒng);第二階段，在海中測量平臺建成后，增設東人工島參考站，并入HZMB－CORS。第一階段的系統(tǒng)建設于2010年3月開始，同年11月建成并通過專家驗收。第二階段的建設也已完成，通過系統(tǒng)測試和驗收后即將投入正式運行。系統(tǒng)建設主要參考參考站網(wǎng)建設規(guī)范［7］等國家現(xiàn)行標準，并充分考慮到工程需求及場地條件。

2.1 參考站選址與測試

參考站站址處應視野開闊，距易產(chǎn)生多路徑效應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200m范圍內無強電磁場或者發(fā)射源，避開易產(chǎn)生振動的地帶。應選擇地質條件良好、地基穩(wěn)定的地方建站，盡可能將觀測墩建在基巖上。應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;交通應便利，便于觀測和維護。根據(jù)以上原則，經(jīng)過仔細分析和實地踏勘，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，進行了選址測試。測試內容包括:無線電信號測試、網(wǎng)絡通訊接收GDCORS信號測試和參考站處靜態(tài)數(shù)據(jù)測試三個部分［8］。實地測試結果表明:無線電臺信號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個參考站處信號接收狀況良好，滿足設計要求。

2.2 參考站建設

(1)土建工程

參考站土建工程包括觀測墩、電臺天線柱、供電設施、通訊網(wǎng)絡工程、防雷設施等參考站設施的施工。觀測墩的設計和建造均根據(jù)站址地形地質條件進行設計和施工，要求各參考站控制點年最大位移量在±2 mm以內，確保其穩(wěn)定性滿足高精度定位的需要。

野貍島參考站觀測墩建造在穩(wěn)固的巖石基礎上，觀測墩基礎嵌入巖面以下1.4 m。洋環(huán)參考站觀測墩基座為鋼筋混凝土結構，基座嵌入巖面以下0.3 m?；⑸絽⒖颊窘ㄔ煸趫杂餐翆由?，觀測墩地基土表層為花崗巖殘積層，底部為花崗巖中等風化層，底部土層承載力大于1 500 kPa，遠高于設計圖要求的200 kPa。東人工島參考站建造在穩(wěn)固的海中測量平臺上。

(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補充的方式供電。海上東人工島參考站采用太陽能電池板和USP結合方式供電，保證各參考站連續(xù)不間斷運行。

(3)防雷工程

直擊雷防護工程主要包括避雷針的安裝、接地網(wǎng)的安裝以及設備等電位接地處理。經(jīng)過接地電阻測試，野貍島站、洋環(huán)站及虎山站的接地網(wǎng)竣工實測接地電阻分別為3.2Ω、2.4Ω及3.4Ω，均達到設計要求(接地電阻不大于4Ω)。

(4)設備安裝調試

參考站的核心設備為Trimble NetR8/R9型GPS接收機及 Trimble Zephyr Geodetic 2天線，并配備電臺、氣象儀、UPS、網(wǎng)絡攝像頭等其他設備。

2.3 數(shù)據(jù)中心設計與建設

數(shù)據(jù)中心是HZMB-CORS的核心單元，由計算機網(wǎng)絡系統(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)絡連接。數(shù)據(jù)中心具備數(shù)據(jù)處理、運營管理和信息服務三大主要功能。數(shù)據(jù)中心機房組成獨立的局域網(wǎng)，并與監(jiān)測站相連，通過專用的監(jiān)測軟件實時監(jiān)測系統(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，能同時對GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星信號進行處理。經(jīng)過測試期間的試運行，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。測試結果顯示:系統(tǒng)在24 h內的可用性為97.1%，達到了95%的設計標準。

2.4 通訊網(wǎng)絡設計與建設

通訊網(wǎng)絡是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)運行，HZMBCORS系統(tǒng)選擇最為穩(wěn)定與高質量的通訊線路。

野貍島、洋環(huán)2個站點采用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。同時數(shù)據(jù)中心通過1M光纖專線連接Internet網(wǎng)絡，通過固定IP向流動站用戶提供差分改正數(shù)據(jù)。

2.5 監(jiān)測站設計與建設

HZMB-CORS是大橋建設中具有控制作用的基礎性設施之一，其定位精度及其可靠性將直接影響到大橋施工質量和施工進度。為實時了解系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性及可用性，專門設計和建立了一個監(jiān)測站對系統(tǒng)運行狀況進行連續(xù)不間斷的實時監(jiān)測，以便對系統(tǒng)故障及時報警并做出相應處理。

監(jiān)測站通過線纜與安置在數(shù)據(jù)中心機房中的GNSS主機相連，GNSS通過串口與解算服務器相連，用VRS方式進行定位，觀測數(shù)據(jù)直接傳入數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測軟件中，實時反映系統(tǒng)的定位情況，實時顯示監(jiān)測站的WGS－84坐標、衛(wèi)星數(shù)與HDOP值、定位狀態(tài)、實時坐標與已知坐標的較差等信息，并具有數(shù)據(jù)存儲及報警等功能。

2.6 參考站坐標與高程聯(lián)測

將HZMB-CORS參考站及監(jiān)測站與先期建立的港珠澳大橋首級控制網(wǎng)［9］進行坐標和高程聯(lián)測，將首級控制網(wǎng)測量基準精確傳遞到HZMB-CORS參考站網(wǎng)上，建立港珠澳大橋工程坐標系［10］，為后續(xù)工程勘察設計和施工提供統(tǒng)一的坐標基準。通過聯(lián)測得到參考站的ITRF2005框架坐標、橋梁工程坐標及隧道工程坐標、1954年北京坐標、香港坐標以及澳門坐標，并確定各坐標系統(tǒng)之間的轉換關系。

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

2.7 精化似大地水準面模型的應用

港珠澳大橋首級控制網(wǎng)建網(wǎng)期間，建立了大橋區(qū)域高精度局部大地水準面模型。為了檢驗該模型的精度，在香港、珠海和澳門三地選擇27個已知水準點，通過GPS靜態(tài)觀測測定各點的大地經(jīng)、緯度和大地高，應用該模型計算高程異常，得到各點的擬合高程，再與已知高程比較，計算出擬合正常高與已知水準高的較差。測試結果顯示:測試點高程較差的均值為6 mm，滿足本系統(tǒng)應用的需要。

將精化似大地水準面成果植入HZMB-CORS數(shù)據(jù)中心服務器中，通過Trimble Transformation Generator(TTG)配合GPSNet軟件，即可實現(xiàn)流動站RTK作業(yè)時實時獲得正常高數(shù)據(jù)，供流動站用戶實時獲得高精度的高程定位結果。

2.8 系統(tǒng)測試及結果分析

在第一階段建設完成后進行了系統(tǒng)測試，包括系統(tǒng)可用性測試與實時定位精度測試兩部分?？捎眯詼y試主要在海中主體工程施工區(qū)域進行，測試點分布于港珠澳大橋主體工程中線兩側約2.5 km范圍內，測試CORS系統(tǒng)在海上工程施工區(qū)域內的可用范圍及初始化時間。實時定位精度測試在26個測試點(包括首級控制點、首級加密點及新增測試點)上進行，測試點分布于珠海、香港、澳門及珠澳口岸人工島上。通過測試數(shù)據(jù)分析，得出:網(wǎng)絡差分信號在海中可覆蓋港珠澳大橋主體工程建設區(qū)域。系統(tǒng)的實時定位精度:平面為1.0 cm，高程為1.4 cm，達到系統(tǒng)設計的“平面優(yōu)于2 cm，高程優(yōu)于3 cm”的精度要求。

3 結束語

港珠澳大橋GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)是國內首個獨立的基于VRS的工程CORS，也是首個跨境工程CORS。系統(tǒng)采用目前世界上先進的GNSS參考站設備和系統(tǒng)軟件，建立了高效的光纖專線網(wǎng)絡及安全性高的防雷設施，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及可靠性高;提供多種定位方式，系統(tǒng)定位服務范圍可覆蓋港珠澳大橋主體工程建設區(qū)域;將精化大地水準面模型應用到系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)實時定位的高程精度;建立了系統(tǒng)監(jiān)測站，開發(fā)了相應的監(jiān)測軟件，設計并實現(xiàn)了工程CORS系統(tǒng)的實時監(jiān)測子系統(tǒng)。

系統(tǒng)自2010年11月正式投入正式運行以來，已在大橋建設期間經(jīng)受了檢驗，總體上講，系統(tǒng)本身運行情況良好，全面實現(xiàn)了系統(tǒng)的設計功能和性能指標。作為國內首個直接用于施工的工程CORS，無類似的工程應用經(jīng)驗可供借鑒，因此，面對各種復雜環(huán)境和施工條件，會出現(xiàn)許多新的困難，需要在使用過程中不斷摸索并加以解決，不斷對系統(tǒng)進行完善和改進，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。

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