港珠澳大橋CORS系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究

馮艷杰，衛(wèi)建峰

(1.武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)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(mén)特別行政區(qū)的大型跨海通道，是列入“國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目”的重要交通建設(shè)項(xiàng)目。港珠澳大橋海中橋隧工程總長(zhǎng)約35.58 km，屬于特大型跨海通道，具有跨海距離長(zhǎng)、工程規(guī)模大、工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、施工周期長(zhǎng)、地理位置特殊、政治意義重大、環(huán)保要求高、建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)高等突出特點(diǎn)。大橋建設(shè)過(guò)程中施工測(cè)量和打樁定位技術(shù)成為保障整個(gè)工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，為保障測(cè)量精度和施工效率，建設(shè)了基于VRS(Virtue Reference Station)的工程CORS(Continue Operating Reference Stations)。

港珠澳大橋連續(xù)運(yùn)行參考站(以下簡(jiǎn)寫(xiě)HZMBCORS)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性受電離層、衛(wèi)星分布、觀測(cè)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(shí)～18時(shí)高峰時(shí)尤其明顯，可能會(huì)影響到GPS的定位精度。而港珠澳大橋每天24小時(shí)都在施工，對(duì)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(dá)不到要求時(shí)的施工，必將影響到港珠澳大橋的質(zhì)量，因此，建設(shè)一個(gè)對(duì)CORS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)非常必要。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本文主要研究的是在建成CORS系統(tǒng)中建設(shè)一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的流動(dòng)站，通過(guò)對(duì)流動(dòng)站的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行解算、統(tǒng)計(jì)、分析RTK級(jí)別流動(dòng)站定位的精度，來(lái)監(jiān)測(cè)CORS系統(tǒng)的流動(dòng)站提供差分服務(wù)的精度穩(wěn)定性。其設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)路線圖

2.1 監(jiān)測(cè)站的建立

首先建設(shè)監(jiān)測(cè)站，根據(jù)CORS網(wǎng)分布，監(jiān)測(cè)站應(yīng)該位于CORS系統(tǒng)網(wǎng)型控制范圍內(nèi)，選擇接收衛(wèi)星、供電、通信條件好，維護(hù)便利的地點(diǎn)，如穩(wěn)固的樓頂。監(jiān)測(cè)站可以使用水泥觀測(cè)墩或鋼標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)較參考站觀測(cè)段低，要求穩(wěn)固牢靠，能夠避免外界環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)精度產(chǎn)生影響即可。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)需要與CORS系統(tǒng)的參考站點(diǎn)聯(lián)測(cè)，求得監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的精確坐標(biāo)監(jiān)測(cè)軟件所使用的坐標(biāo)為聯(lián)測(cè)解算數(shù)據(jù)成果的WGS－84坐標(biāo)。

固定好監(jiān)測(cè)站天線，連通天線電纜與監(jiān)測(cè)站接收機(jī)，接入電源與通信網(wǎng)絡(luò)，硬件條件基本達(dá)到。對(duì)監(jiān)測(cè)站接收機(jī)進(jìn)行必要的設(shè)置:①設(shè)置接收機(jī)的通信端口。使用自定義的無(wú)線電臺(tái)，接收串口過(guò)來(lái)的差分?jǐn)?shù)據(jù);②設(shè)置接收機(jī)的另一個(gè)數(shù)據(jù)口輸出NMEA－0183 GGA格式數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測(cè)站與CORS的通訊

監(jiān)測(cè)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(luò)通信之間切換，使得監(jiān)測(cè)站與CORS控制中心的距離不再受到限制，只要網(wǎng)絡(luò)通信條件具備的位置就可以架設(shè)監(jiān)測(cè)站。

監(jiān)測(cè)站與CORS中心的通信方式可以根據(jù)實(shí)地情況選擇移動(dòng)或固定VPN通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站與控制中心的雙向通信。本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)站建設(shè)在珠?？刂浦行奶帲梢圆捎肦S232數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)通信，最為節(jié)約費(fèi)用。監(jiān)測(cè)軟件服務(wù)器設(shè)在CORS系統(tǒng)控制中心，方便管理人員及時(shí)監(jiān)控整套系統(tǒng)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)及時(shí)修正CORS系統(tǒng)。同時(shí)預(yù)留本項(xiàng)目今后增加新的監(jiān)測(cè)站，設(shè)計(jì)使用遠(yuǎn)程通信，通過(guò)MOXA的串口轉(zhuǎn)換器，將RJ45接口轉(zhuǎn)為RS232接口，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站與控制中心的遠(yuǎn)程通信。

CORS系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)站通信具體實(shí)施方法:使用RS232串口通信線將CORS服務(wù)器與監(jiān)測(cè)站接收機(jī)通信接口連接，在VRS的GPSNet軟件中建立一個(gè)COM通信接口，直接定義一個(gè)近似的監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)，生成一個(gè)虛擬的參考站，提供該虛擬參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站在GPSnet軟件中就是一個(gè)流動(dòng)站。同時(shí)使用另外一條RS232通信線將監(jiān)測(cè)站接收機(jī)的數(shù)據(jù)口連接至監(jiān)測(cè)軟件服務(wù)器，提供實(shí)時(shí)解算成果數(shù)據(jù)供監(jiān)測(cè)軟件使用。

2.3 監(jiān)測(cè)軟件分析

監(jiān)測(cè)軟件接收監(jiān)測(cè)站接收機(jī)輸出的NMEA－0183

GGA格式數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解算并分析，將結(jié)果顯示在軟件界面上，包括監(jiān)測(cè)站收星狀況、當(dāng)前位置以及與已知坐標(biāo)的偏差等。軟件計(jì)算當(dāng)前經(jīng)度、緯度、高度三維坐標(biāo)相對(duì)已知坐標(biāo)的差值，并繪制實(shí)時(shí)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(jì)算所使用的GGA數(shù)據(jù)格式包含有監(jiān)測(cè)站定位狀態(tài)信息等，其關(guān)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(zhǔn)面為某個(gè)Globe水準(zhǔn)面模型，不知其出處，水準(zhǔn)面異常值完全不同于HZMB—CORS系統(tǒng)自有的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，無(wú)法適用于我們測(cè)量工作，監(jiān)測(cè)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(cè)站點(diǎn)的橢球高度，h1是 GGA語(yǔ)句中的海拔高度(字段9)，h2是GGA語(yǔ)句中地球橢球面相對(duì)大地水準(zhǔn)面的高度(字段10)，h為天線相位中心相對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

在程序運(yùn)行過(guò)程中一直處于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接受和處理，按定位信息與預(yù)先設(shè)置好的監(jiān)測(cè)站已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，繪制經(jīng)度、緯度、高度三個(gè)方向上的實(shí)時(shí)偏差圖形，并在偏差超出限差時(shí)，軟件會(huì)及時(shí)以警報(bào)聲或屏幕上閃爍顏色的形式進(jìn)行報(bào)警，如圖2、圖3、圖4所示。

(2)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)

除了實(shí)時(shí)偏差圖形報(bào)警，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，既提升了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，又便于后期的計(jì)算分析比對(duì)。同時(shí)，能夠計(jì)算這些比對(duì)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)固定解比例等信息，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)接收到的數(shù)據(jù)

(3)報(bào)警設(shè)置

監(jiān)測(cè)軟件有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)限差值與報(bào)警形式設(shè)置選項(xiàng)，根據(jù)HZMB－CORS系統(tǒng)的流動(dòng)站精度要求設(shè)定偏移限差，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)值超出限差時(shí)軟件將以聲光方式報(bào)警。提示管理員。

(4)系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)HZMB－CORS系統(tǒng)使用要求設(shè)置已知坐標(biāo)、報(bào)警參數(shù)、接口參數(shù)等。圖6為監(jiān)測(cè)站已知坐標(biāo)設(shè)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(jì)算某段時(shí)間的監(jiān)測(cè)站的平均坐標(biāo)、固定解比率等，并能繪制長(zhǎng)時(shí)間的偏差圖，方便管理員查詢(xún)歷史事件，如圖7、圖8、圖9所示。

圖6 坐標(biāo)設(shè)置

圖7 歷史數(shù)據(jù)高度偏差圖

圖8 平均坐標(biāo)計(jì)算

圖9 固定解百分比計(jì)算

4 結(jié)論

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析在一天當(dāng)中不同時(shí)段CORS系統(tǒng)提供的差分?jǐn)?shù)據(jù)解的精度變化，判斷是否在需要的精度限差內(nèi)。如果在電離層活動(dòng)或其他因素影響嚴(yán)重的時(shí)段，監(jiān)測(cè)站超限，軟件自動(dòng)報(bào)警提示，管理員可以及時(shí)通知施工單位暫停作業(yè)。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行半年來(lái)，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確，在港珠澳大橋CORS的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)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(cè)站運(yùn)行的結(jié)果也證明了港珠澳大橋CORS系統(tǒng)的建設(shè)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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