周文健

（中鐵大橋局集團(tuán)第一工程有限公司，河南 鄭州450053）

目前，跨越江河海灣的大型橋梁工程越來越多，大型的跨海大橋工程具有跨越水面長度大、橋型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量定位精度要求高、工程施工難度大等特點(diǎn)。因此，為其提供實(shí)時(shí)、高精度的測量定位服務(wù)是保證跨海大橋工程施工質(zhì)量的重要前提，跨海大橋的控制測量之前采用GPS固定參考站系統(tǒng)的定位模式較多，這種固定參考站系統(tǒng)的定位精度較高，但GPS信號(hào)受到傳輸距離的影響較大，信號(hào)隨距離增加會(huì)逐漸減弱，并降低實(shí)時(shí)定位的精度?，F(xiàn)在隨著GPS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息化的發(fā)展，虛擬參考站技術(shù)（即VRS技術(shù)）已被廣泛應(yīng)用于橋梁施工放樣測量中，并且作用越來越重要。青島市海灣大橋的測量控制系統(tǒng)通過綜合考慮，采用虛擬參考站技術(shù)的GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)，很好地解決了因跨海距離長信號(hào)無法鎖定的問題，通過實(shí)踐證明，VRS技術(shù)在青島市海灣大橋的施工放樣測量中，完全能滿足大橋工程的施工精度，為跨海大橋的順利建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐。

1 工程概況

青島市海灣大橋線路起于青島市李村河大橋北200m處，沿李村河河道進(jìn)入膠州灣，支線與紅島匝道互通連接線相接，主線跨越膠州灣并與黃島東海岸的膠州灣高速公路東1km處的濟(jì)青南線順接，大橋主線長28.047km，其中跨海大橋長25.171km，由雙塔鋼箱梁斜拉橋、獨(dú)塔鋼箱梁斜拉橋、獨(dú)塔自錨式懸索橋、非通航孔區(qū)的連續(xù)現(xiàn)澆及預(yù)制混凝土箱梁等多種橋型結(jié)構(gòu)組成。該橋特點(diǎn)是跨海長度較長，中間沒有島嶼可以利用，而海上施工標(biāo)段眾多，給整個(gè)大橋的測量控制及各單位的施工測量工作造成很大的難題，為了確保整個(gè)大橋的施工質(zhì)量，提高大橋整體測量控制的精度，在整個(gè)大橋的測量控制中，采用基于VRS技術(shù)的GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)，確保青島市海灣大橋的施工測量定位和工程施工質(zhì)量。

2 VRS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于VRS技術(shù)運(yùn)行的GPS測量綜合應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)充分考慮工程的具體需要和施工區(qū)域的客觀條件，確保工程設(shè)計(jì)、施工和今后運(yùn)營管理階段各項(xiàng)測繪、定位和監(jiān)測等工作的服務(wù)需要，系統(tǒng)應(yīng)做到連續(xù)、可靠、高精度和多功能。采用現(xiàn)代通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和GPS等技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建一個(gè)通用性的連續(xù)運(yùn)行GPS測量綜合服務(wù)系統(tǒng)，確保在整個(gè)工程范圍內(nèi)提供高精度實(shí)時(shí)定位及RTK測量等服務(wù)。這套GPS測量綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)建成后，在整個(gè)大橋工程區(qū)域內(nèi)，應(yīng)全天候24h播發(fā)定位信息，各施工單位只要利用一臺(tái)GPS測量型接收機(jī)進(jìn)行RTK測量，實(shí)時(shí)精度即可達(dá)到平面2 cm、高程3cm以內(nèi)，后處理達(dá)到5mm以內(nèi)的精度，并且，要求該系統(tǒng)可以與多種實(shí)時(shí)用戶數(shù)據(jù)中心相連接，完成系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)播發(fā)，即可以采用GPRS或無線電臺(tái)技術(shù)中的任一種，完成向海中有效覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶進(jìn)行差分修正信息的播發(fā)服務(wù)功能。

3 VRS系統(tǒng)組成及原理

3.1 系統(tǒng)的組成

青島市海灣大橋GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)由三個(gè)基準(zhǔn)站、GPS接收機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、供電設(shè)備、GPS數(shù)據(jù)處理中心和GPS用戶等幾個(gè)部分組成。整個(gè)GPS監(jiān)測系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

圖1 青島市海灣大橋GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)框架圖

此系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流由4種組成，即原始數(shù)據(jù)、差分信號(hào)、控制命令信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)。數(shù)據(jù)中心通過通訊網(wǎng)絡(luò)接收基準(zhǔn)站的GPS原始數(shù)據(jù)，由差分工作站作相應(yīng)處理后，發(fā)送到用戶，供精密定位解算。

1）GPS基準(zhǔn)站。該綜合系統(tǒng)分別在黃島、紅島和青島青銀路上設(shè)置有三個(gè)GPS基準(zhǔn)站，組成一個(gè)覆蓋大橋施工、監(jiān)測區(qū)域的差分網(wǎng)絡(luò)，其主要由GPS接收機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和供電設(shè)備組成。GPS接收機(jī)主要接收原始數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。

2）數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。GPS基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)處理中心的通信是通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)完成的，數(shù)據(jù)到實(shí)時(shí)用戶端的差分信號(hào)發(fā)布選用GSM數(shù)據(jù)、GPRS等幾種模式，對(duì)于海中的特殊用戶，可架設(shè)短波電臺(tái)發(fā)送差分信號(hào)。

3）GPS數(shù)據(jù)處理中心。GPS數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、VRS工作站、原始數(shù)據(jù)自動(dòng)處理工作站和監(jiān)控工作站組成。其主要功能是進(jìn)行GPS RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)的處理發(fā)布、原始數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，以及對(duì)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控。

4）GPS用戶部分。GPS用戶包括實(shí)時(shí)用戶和非實(shí)時(shí)用戶，實(shí)時(shí)用戶通過無線方式接收GPS差分信號(hào)，實(shí)時(shí)進(jìn)行定位解算，達(dá)到厘米級(jí)定位精度，滿足海中橋梁基礎(chǔ)施工放樣精度的要求。

3.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，該技術(shù)是在衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來的實(shí)用技術(shù)，連續(xù)運(yùn)行的參考站網(wǎng)與處理中心相連接，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，并將解算出的改正數(shù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到用戶站，用戶同時(shí)能接收衛(wèi)星信號(hào)和來自處理中心的改正信號(hào)，求解出測站的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK中的VRS虛擬參考站技術(shù)，使系統(tǒng)測量誤差不隨與基準(zhǔn)站的距離增大而變大，定位精度比較均勻，并能縮短初始化時(shí)間，提高點(diǎn)位精度和可靠性。

因此，該系統(tǒng)中VRS是網(wǎng)絡(luò)RTK中最關(guān)鍵的技術(shù)，數(shù)據(jù)處理中心是通過接收整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有參考站的數(shù)據(jù)，解算系統(tǒng)誤差改正數(shù)，為用戶特別模擬一個(gè)就位于其身邊的虛擬參考站。VRS系統(tǒng)工作的原理是，首先GPS流動(dòng)站向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送它的概略位置，具體的方式是用移動(dòng)信號(hào)鏈路（如GSM等）發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的位置信息，數(shù)據(jù)處理中心接收此位置信息并進(jìn)行差分計(jì)算后重新向流動(dòng)站發(fā)送改正過的RTK數(shù)據(jù)信息。

4 系統(tǒng)的特點(diǎn)及技術(shù)精度

4.1 系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）提高定位精度和初始化時(shí)間。采用VRS系統(tǒng)后，施工單位無須再建立自己的參考站，減少了建立基準(zhǔn)站時(shí)的誤差，節(jié)省了大量的設(shè)備和時(shí)間，并保持了很高的初始化性能和精度。由于VRS系統(tǒng)通過電離層模型的計(jì)算擬合，在用戶作業(yè)的位置虛擬了一個(gè)基準(zhǔn)站，所以定位精度與基準(zhǔn)站的實(shí)際位置沒有太大關(guān)系，定位精度比較均勻。

2）兼容性。由于使用了自主開發(fā)的數(shù)據(jù)接收、分析軟件，所以不但整個(gè)系統(tǒng)基準(zhǔn)站可以利用不同廠商、不同型號(hào)的GPS接收機(jī)，具有兼容性，在流動(dòng)站的使用上，因系統(tǒng)采用國際標(biāo)準(zhǔn)的RINEX原始數(shù)據(jù)文件格式和RTCM104差分格式進(jìn)行發(fā)布，也使各用戶的不同接收機(jī)，只要具備接收網(wǎng)絡(luò)差分?jǐn)?shù)據(jù)的功能，就基本都可以使用。

3）靈活性和多樣性。系統(tǒng)的靈活和多樣性是體現(xiàn)在通信及定位方式。系統(tǒng)的通信有多種方式，基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心使用寬帶通信，傳輸原始數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的各種參數(shù)。差分信號(hào)既可通過數(shù)字電臺(tái)直接發(fā)布，也通過無線通信公網(wǎng)（如GSM等）發(fā)布，對(duì)需要后處理數(shù)據(jù)的用戶，也可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行下載。

系統(tǒng)的定位方式上，用戶有單基站RTK和虛擬參考站系統(tǒng)（VRS）可以選擇。單基站RTK是根據(jù)流動(dòng)站用戶的位置，選取離自己最近的基準(zhǔn)站差分信號(hào)進(jìn)行作業(yè)，特點(diǎn)是靈活方便。而VRS系統(tǒng)是通過各個(gè)參考站數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)算，實(shí)時(shí)計(jì)算出流動(dòng)站附近的一個(gè)虛擬參考站的差分信號(hào)，提高了定位精度和作業(yè)距離。

4.2 技術(shù)精度

1）覆蓋范圍廣。該系統(tǒng)的GPS實(shí)時(shí)差分定位數(shù)據(jù)信號(hào)，能覆蓋青島市海灣大橋的所有作業(yè)區(qū)域和管理區(qū)域。

2）系統(tǒng)精度高。該系統(tǒng)的事后處理定位精度，水平方向≤3mm，豎直方向≤6mm，RTK實(shí)時(shí)定位精度，水平方向≤20mm，豎直方向≤30mm。

5 VRS系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用及RTK精度分析

5.1 VRS的實(shí)際應(yīng)用

青島市海灣大橋基于VRS技術(shù)的GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)的建成，主要是滿足大橋?qū)φ麄€(gè)施工控制點(diǎn)的布設(shè)、施工測量、移動(dòng)目標(biāo)導(dǎo)航、水下地形測量、基準(zhǔn)點(diǎn)位移變化及大橋安全監(jiān)測等控制的要求。該綜合系統(tǒng)建成運(yùn)行以來，在大橋工程的施工過程中，發(fā)揮了很大的作用，特別是在前期海中沒有測量控制點(diǎn)的情況下，為保證各施工標(biāo)段測量基準(zhǔn)的一致，使得工程結(jié)構(gòu)物能夠順利銜接，在進(jìn)行海中測量加密時(shí)提供了高精度的GPS定位數(shù)據(jù)，并使全橋建立了統(tǒng)一的測量基準(zhǔn)，發(fā)揮了VRS系統(tǒng)的主要核心功能作用。

該GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)在青島市海灣大橋整個(gè)建設(shè)期間，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，后處理定位精度很高，在覆蓋區(qū)域內(nèi)的實(shí)時(shí)定位精度都能滿足海上工程施工定位的要求，因此，該系統(tǒng)的成功運(yùn)行為青島市海灣大橋的順利建設(shè)發(fā)揮了非常大的作用。

5.2 RTK精度統(tǒng)計(jì)分析

大橋GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)建成后，為了檢核該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)及工程施工的精度要求，在覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的已知控制點(diǎn)上（陸地及海中）進(jìn)行了2h實(shí)時(shí)RTK測量，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的定位精度、穩(wěn)定性及可靠性。檢驗(yàn)方法采集實(shí)時(shí)定位值與已知坐標(biāo)值相比較來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體測試方法是在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行初始化成功后，連續(xù)采集2h觀測數(shù)據(jù)，手簿設(shè)置成采樣間隔12s為一次，10次取平均值進(jìn)行記錄，每小時(shí)可觀測記錄30組數(shù)據(jù)，并自動(dòng)保存在電子手簿中。具體各已知點(diǎn)上的檢測數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)平均值）見表1。

表1 檢測數(shù)據(jù)

從表1的檢測的數(shù)據(jù)來分析，△X最大值為15.7mm、最小值為5mm，△Y最大值為12.3mm、最小值為6.2mm，△Z最大值為23mm、最小值為10mm，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)值的RTK精度要求:即水平 ≤20mm、垂直 ≤30mm，點(diǎn)位誤差最大值為27.6mm≤41.2mm（點(diǎn)位設(shè)計(jì)精度），另外，在試驗(yàn)檢測期間，流動(dòng)站信號(hào)鎖定良好，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，故該系統(tǒng)總體性能和精度完全能滿足跨海大橋工程的施工要求。

6 結(jié)束語

青島市海灣大橋是我國建成的海上大型橋梁項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目的關(guān)鍵測量技術(shù)，即是在大橋工程施工中，成功地采用了GPS綜合應(yīng)用系統(tǒng)中的虛擬參考站技術(shù)。這種網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在橋梁下部施工中的放樣精度完全能滿足工程施工建設(shè)的要求，該系統(tǒng)在青島市海灣大橋的工程建設(shè)中發(fā)揮了很大作用，特別是在海上工程施工的前期，在海中沒有測量控制點(diǎn)的情況下，為保障海上橋梁工程的順利施工創(chuàng)造了良好的條件，其系統(tǒng)精度達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的效果，該技術(shù)為跨海大橋工程的順利施工提供了有力的技術(shù)保障。

這種依托VRS技術(shù)的虛擬參考站系統(tǒng)，在海上大型橋梁工程中還是第一次成功采用，它有別于其它跨海大橋中采用的工程參考站技術(shù)，其GPS信號(hào)不隨距離長短而變化，定位精度比較均勻和穩(wěn)定，既可減少施工單位測量設(shè)備的投入，又能確保全橋測量基準(zhǔn)的一致性。因此，此項(xiàng)測量控制技術(shù)可作為一種成熟的技術(shù)應(yīng)用于大型跨海橋梁的施工測量控制中，對(duì)其它大型的基礎(chǔ)工程施工也可提供一定的借鑒作用。

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