港珠澳大桥CORS系统稳定性实时监测研究

冯艳杰，卫建峰

(1.武汉市勘测设计研究院，湖北 武汉 430022;2.武汉天宝耐特科技有限公司，湖北 武汉 430079)

1 引言

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是列入“国家科技支撑计划项目”的重要交通建设项目。港珠澳大桥海中桥隧工程总长约35.58 km，属于特大型跨海通道，具有跨海距离长、工程规模大、工程结构复杂、技术难度大、施工周期长、地理位置特殊、政治意义重大、环保要求高、建设要求及标准高等突出特点。大桥建设过程中施工测量和打桩定位技术成为保障整个工程建设的关键技术，为保障测量精度和施工效率，建设了基于VRS(Virtue Reference Station)的工程CORS(Continue Operating Reference Stations)。

港珠澳大桥连续运行参考站(以下简写HZMBCORS)系统运行的稳定性受电离层、卫星分布、观测环境多种因素影响。港珠澳大桥位于低纬度地区，该区电离层很活跃，尤其是每天下午13时～18时高峰时尤其明显，可能会影响到GPS的定位精度。而港珠澳大桥每天24小时都在施工，对稳定性的要求很高，如果在系统不够稳定、定位精度达不到要求时的施工，必将影响到港珠澳大桥的质量，因此，建设一个对CORS实时监测的系统非常必要。

2 实时监测系统的设计思路

本文主要研究的是在建成CORS系统中建设一个连续运行的流动站，通过对流动站的定位数据进行解算、统计、分析RTK级别流动站定位的精度，来监测CORS系统的流动站提供差分服务的精度稳定性。其设计流程如图1所示。

图1 实时监测系统技术路线图

2.1 监测站的建立

首先建设监测站，根据CORS网分布，监测站应该位于CORS系统网型控制范围内，选择接收卫星、供电、通信条件好，维护便利的地点，如稳固的楼顶。监测站可以使用水泥观测墩或钢标，标准较参考站观测段低，要求稳固牢靠，能够避免外界环境对监测精度产生影响即可。监测站点需要与CORS系统的参考站点联测，求得监测站点的精确坐标监测软件所使用的坐标为联测解算数据成果的WGS－84坐标。

固定好监测站天线，连通天线电缆与监测站接收机，接入电源与通信网络，硬件条件基本达到。对监测站接收机进行必要的设置:①设置接收机的通信端口。使用自定义的无线电台，接收串口过来的差分数据;②设置接收机的另一个数据口输出NMEA－0183 GGA格式数据。

2.2 监测站与CORS的通讯

监测软件兼容COM口与TCP/IP端口的通信，可以方便地在串口通信与网络通信之间切换，使得监测站与CORS控制中心的距离不再受到限制，只要网络通信条件具备的位置就可以架设监测站。

监测站与CORS中心的通信方式可以根据实地情况选择移动或固定VPN通信网络，实现监测站与控制中心的双向通信。本项目监测站建设在珠海控制中心处，可以采用RS232数据线实现通信，最为节约费用。监测软件服务器设在CORS系统控制中心，方便管理人员及时监控整套系统，并根据监测软件的数据及时修正CORS系统。同时预留本项目今后增加新的监测站，设计使用远程通信，通过MOXA的串口转换器，将RJ45接口转为RS232接口，实现监测站与控制中心的远程通信。

CORS系统与监测站通信具体实施方法:使用RS232串口通信线将CORS服务器与监测站接收机通信接口连接，在VRS的GPSNet软件中建立一个COM通信接口，直接定义一个近似的监测站坐标，生成一个虚拟的参考站，提供该虚拟参考站的差分数据给监测站，监测站在GPSnet软件中就是一个流动站。同时使用另外一条RS232通信线将监测站接收机的数据口连接至监测软件服务器，提供实时解算成果数据供监测软件使用。

2.3 监测软件分析

监测软件接收监测站接收机输出的NMEA－0183

GGA格式数据，并对该数据进行解算并分析，将结果显示在软件界面上，包括监测站收星状况、当前位置以及与已知坐标的偏差等。软件计算当前经度、纬度、高度三维坐标相对已知坐标的差值，并绘制实时的三维偏差图形，如图2、图3、图4所示。

图2 经度偏移

图3 纬度偏移

图4 高度偏移

计算所使用的GGA数据格式包含有监测站定位状态信息等，其关键数据块如下:

这里需要特别注意的是，软件在WGS－84系统中分析比较纬度、经度与高度，而GGA格式中直接输出的却是海拔高程，其所用大地水准面为某个Globe水准面模型，不知其出处，水准面异常值完全不同于HZMB—CORS系统自有的似大地水准面数据，无法适用于我们测量工作，监测软件将不采用其海拔高程。因此需要将海拔高程换算成WGS－84椭球高度。

其中H是监测站点的椭球高度，h1是 GGA语句中的海拔高度(字段9)，h2是GGA语句中地球椭球面相对大地水准面的高度(字段10)，h为天线相位中心相对监测点的高。

3 实时监测系统的功能

(1)实时数据显示

在程序运行过程中一直处于实时监测状态，在监测过程中实现GPS数据的接受和处理，按定位信息与预先设置好的监测站已知坐标进行对比，绘制经度、纬度、高度三个方向上的实时偏差图形，并在偏差超出限差时，软件会及时以警报声或屏幕上闪烁颜色的形式进行报警，如图2、图3、图4所示。

(2)历史数据查询

除了实时偏差图形报警，将接收到的数据存储于SQL Server数据库中，既提升了数据存储的安全性，又便于后期的计算分析比对。同时，能够计算这些比对数据与统计固定解比例等信息，如图5所示。

图5 数据库接收到的数据

(3)报警设置

监测软件有实时监测限差值与报警形式设置选项，根据HZMB－CORS系统的流动站精度要求设定偏移限差，当实时数值超出限差时软件将以声光方式报警。提示管理员。

(4)系统设置

根据HZMB－CORS系统使用要求设置已知坐标、报警参数、接口参数等。图6为监测站已知坐标设置界面。

(5)历史数据分析

软件支持回差历史数据，计算某段时间的监测站的平均坐标、固定解比率等，并能绘制长时间的偏差图，方便管理员查询历史事件，如图7、图8、图9所示。

图6 坐标设置

图7 历史数据高度偏差图

图8 平均坐标计算

图9 固定解百分比计算

4 结论

实时监测系统分析在一天当中不同时段CORS系统提供的差分数据解的精度变化，判断是否在需要的精度限差内。如果在电离层活动或其他因素影响严重的时段，监测站超限，软件自动报警提示，管理员可以及时通知施工单位暂停作业。

实时监测系统运行半年来，通信稳定，数据分析准确，在港珠澳大桥CORS的稳定运行起到了重要的作用。港珠澳大桥CORS系统决定着特大桥的施工精度，对系统的精度要求很高，水平精度要求≤2 cm，垂直精度要求≤3 cm，监测站运行的结果也证明了港珠澳大桥CORS系统的建设达到了设计目标。

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