青岛海湾大桥GPS测量控制系统建设与应用

一、项目简介

青岛海湾大桥是我国目前国有独资单一企业投资建设的最大规模的交通基础设施项目，是我国北方冰冻海域首座特大型桥梁集群工程，全长41.58km，其中一期工程全长28.880km，二期工程12.7km。大桥横穿青岛胶州湾，每年有50天以上的大雾，常有风大浪急的恶劣天气，且同时展开的工作面多达上百个，如此密度的施工作业面在上述恶劣的条件下，常规测量手段存在极大的困难。为确保工程高质量、高效率地顺利完成，并避免施工测量事故的发生，经论证工程采用了由首级平面及高程控制网、大桥GPS综合应用系统和高精度三维控制基准及精密跨海高程传递三部分构成的整体方案。青岛海湾大桥GPS测量控制系统，是全国首例为大型桥梁施工提供测绘服务而建立的高标准、高精度、多功能的综合服务系统。

二、相关技术的综合比较

由于GPS技术具有诸多优越性，在国内外的大型工程中都有应用，但是高精度的似大地水准面技术在大型桥梁施工中应用，本工程尚属首例。下面以国内外大型工程为例进行对比分析。

1、GPS相关技术背景材料

2.1、丹麦与瑞典之间的连接道路

丹麦和瑞典之间即将贯通一个16km的隧道。主体工程已于1995年夏天开始启动，而GPS是这个工程最重要的测量工具。工程建设管理局建设了一个包括5个固定站，一个流动站和一个监测/控制系统，系统主要提供实时平面测量，定位精度达到3cm，同时提供数据后处理服务。

2.2、香港青马大桥

香港特区政府路政署决定使用GPS技术对三座大桥进行全自动、全天候、连续实时高精度的变形监测，系统已于2001年1月正式建成并投入运行，该系统通过对桥梁位移和变形墩的高精度实时监测和分析，为桥梁的管理和维护提供依据。

2.3、GPS在杭州湾大桥施工中的应用

目前在杭州湾大桥施工区域，设置了三个参考站，分布于南北两岸和海中B试桩平台上，通过无线电台每天24小时不间断地向海上流动站发布差分信号，使海上流动站可以随时进行打桩、套箱安装等工程施工的精密定位和竣工偏位测量。

2、高精度三维控制基准及精密跨海高程传递研究

随着现代大地测量技术的发展及其在相关地学(如地球物理学、海洋学)中应用的不断扩展，大地水准面的研究在大地测量学的发展中始终保持着重要地位，不断提高其分辨率和准确度以满足应用上的高要求，始终是大地测量学中一项艰巨的任务，其近期目标是在全球范围内确定具有5′×5′的分米级进而1′×1′的厘米级精度的大地水准面，这一目标在一些发达国家正在实现。

在常规大地测量中，大地水准面高是将地面测量结果投影归算到参考椭球面所必需的基础数据；大地水准面是定义正高高程系统的基准面，是大地测量学的垂直基准面，又是确定参考椭球的一个约束面，由参考椭球面与大地水准面的最佳拟合准则可求定参考椭球的形状、大小和定位参数，因此大地水准面是定义和建立大地测量坐标系起基准作用的一个曲面。

本项目在青岛海湾似大地水准面计算中，采用了1364个点重力数据和15个高精度GPS水准四期观测资料，EIG04C地球重力场模型作为参考重力场，由第二类Helmert凝集法完成了大地水准面的计算。重力似大地水准面与独立的四期15个高精度GPS水准资料比较的最优精度为±0.004m。

重力数据分布图

2′30″×2′30″重力似大地水准面图(米)

2′30″×2′30″重力似大地水准面图(米)

3、似大地水准面精化相关技术

青岛海湾大桥高精度三维空间测量控制系统利用连续运行的网络差分技术，克服了国内同类系统建设时精度随距离变化的问题，利用光缆专网、互联网、电话网与移动网的多种通信方式，进行网络差分定位、单点定位和后处理高精度定位，利用自主开发的高精度数据自动处理及GPS水汽反演软件，精确确定基准站的位置和大气压力、温度、湿度与水汽含量；具有通过WEB方式发布GPS原始定位数据、数据质量信息及水汽数据等功能。在特大型桥梁建设中，系统使用的定位方式、定位精度、通信手段和用户使用的灵活性均处于国内领先水平。与其他大桥GPS应用系统比较的差别具体表现在：系统的应用范围不同，数据处理技术不同，定位的方式不同。

青岛海湾高精度局部似大地水准面及高精度GPS网成果，是目前精度最高的似大地水准面，不仅可以建立与国家大地测量坐标相一致的精确的区域大地测量平面控制框架，而且结合高精度GPS大地高可以快速地获取地面点的水准高程，将极大地改善传统高程测量作业模式，满足长距离一等水准测量的精度要求，从而使费用高、难度大、周期长的传统高精度水准测量工作量减少到最低限度。似大地水准面成果结合GPS测量可以满足青岛海湾大桥施工测量和工程建设对高程精度的需要。本工程首次将高精度的似大地水准面精化技术应用于大型桥梁施工中，具有特别重要的科学意义、社会效益和巨大的经济效益。

三、青岛海湾大桥GPS综合应用系统建设

青岛海湾大桥测量控制系统采用目前先进的全球卫星定位技术，并兼顾其他测量技术和国内外先进的无线电通信技术，采用公共通讯网，统一标准、统一管理，充分利用现有的资源和基础设施，以提高经济效益。该系统兼顾目前及今后的发展，满足青岛海湾大桥控制点的布设、施工测量、项目监理、移动目标导航、水下地形测量、地面沉降监测、基准点位移变化、气象预报、大桥安全监测等多方面的需求，也可以为青岛市的规划、建设、管理等各个单位提供高精度的三维空间坐标信息。

3.1 系统建设内容

建设内容为如下几项：

1）建立由3个GPS卫星连续跟踪站组成的首级GPS区域网，该网与原有GPS控制网联测构成二等控制网，成为青岛海湾地区高精度三维大地测量控制网，为大桥的建设管理提供高精度的GPS观测数据，使后处理达到毫米级的定位精度。

控制网示意图如下：

首级高程控制网布设如下图所示。

2）利用连续跟踪站组成的GPS区域网。连续发布伪距差分信号和载波相位差分信号，使实时用户获得不随距离变化的差分信号。

3）利用该网中基准站长期观测的数据，积累大桥地区地壳形变资料，为大桥地区形变监测、沉降监测提供实测数据。

4）该网将形成覆盖大桥区域的GPS气象服务网，提供高精度、高时空分辨率、全天候、近实时的水汽变化参数，并由此形成一个大桥区域的突发性、灾害性天气预报新系统。

5）与现有的水准点进行联测，精化大地水准面，满足了大桥建设对高程精度的需要。

6）将定位数据作为一种宝贵的资源加以开发、共享，满足青岛海湾大桥与青岛市的其他社会需求。

3.2 技术指标

覆盖范围：大桥所有作业区域和管理区域，并对青岛、黄岛等临接城区进行有效覆盖。

精度：后处理精密定位精度，水平方向≤3mm，垂直方向≤6mm；RTK实时定位：水平方向≤2cm，垂直方向≤3cm。

可用性：静态，一年内可用性95%；动态，一年内可用性95%。

完好性：报警时间＜6s；误报概率＜0.3%。

青岛海湾大桥测量控制系统结构图

3.3 系统原理

青岛海湾大桥测量控制系统由GPS基准站、有线、无线通信网、GPS用户和数据中心几个部分组成。

GPS基准站：建设3个基准站，采集原始观测数据，组成覆盖大桥区域差分网络。输出的原始数据由网络设备传送至中心站进行处理。

数据通信网：GPRS无线DDN通信系统为行业用户提供永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通讯网络，同时采用专网将基准站数据传输到数据中心。

数据中心：GPS监控中心由数据库服务器、VRS工作站、原始数据自动处理工作站和监控工作站组成。其主要功能是接收基准站的原始数据进行处理，形成差分信息并发布。同时对原始数据的分析和存储，对基准站进行控制和监视。

GPS用户部分：GPS用户包括实时用户和非实时用户。实时用户通过无线方式接收GPS差分信息进行实时定位，实时定位解算可以达到厘米级的定位精度。对高精度监测的用户，可以利用快速静态和静态测量模式，下载基准站的数据进行解算，定位精度达到毫米级。

整个系统的组成如下图：

3.4 基准站组成和建设

连续跟踪站选址充分考虑安全、供电、通信、交通等多种因素，为便于管理、维护和解决通信问题，连续跟踪站选在大桥附属设施附近。为了增加基准站的稳定性，基准站应建设在基岩上，周围无高大遮挡物，无微波辐射和强电场干扰及落雷区；根据以上要求，选择青银路、红岛、红石崖三个收费站作为基准站的建设地点，并对建站地点环境进行了测试，符合建设要求。基准站设备主要由GPS接收机、工控机、气象仪和网络通信设备组成，结构如下：

数据中心主要功能有如下几项：

1）自动处理服务器安装原始数据自动处理软件，自动处理基准站的原始数据，及时修订基准站的坐标。自动化后处理软件是基于高精度数据处理软件，编制自动下载、处理、存储、显示、报警的综合处理系统，此系统自动化程度高，功能齐全，大大增强了海量数据的处理能力，减少人工投入，降低技术门槛。整个系统分为原始数据采集存储、自动处理、Web显示等组成部分，其中自动处理又包括IGS自动数据下载、观测数据自动获取、原始数据自动处理、结果数据自动存储和错误信息自动报警等功能；生成基准站位移图和水汽反演图。

2）监控工作站实时监控基准站GPS接收机的工作状况，设置GPS接收机，同时监控用户接收机的定位结果，也可以通过视频方式对基准站进行监控。

3）数据库服务器具有管理、备份原始数据、监控数据、提供基准站坐标数据等功能。

4）访问服务器负责实时用户的拨号接入。

5）VRS服务器负责接收原始数据，经过联网处理，生成差分信号及管理用户的拨入。

基准站结构图

四、创新点

本项目成果主要创新点为：

1、创新性的将现代测绘技术、信息技术有机集成，综合应用于大桥的施工建设和检测中；

2、创新性的将高精度似大地水准面精化技术应用于跨海高程传递，对大型桥梁建设中测量控制系统的建立具有重要的示范和推广价值；

3、区域大地水准面精化方法使精密跨海高程传递精度达到±5mm。

五、总结

青岛海湾大桥测量控制系统的完成，不仅解决了平面测量问题，同时解决了高精度高程测量问题，实现大桥施工中的三维一体化测量。项目成果实现了区域性利用廉价高效的卫星定位，取代高价低效的水准测量，直接测定海拔高的目标；突破了长期困扰测绘行业的高程测量技术上的瓶颈问题；引领了我国高程测量模式的革命性转变和向生产力的转化；为我国全面实现真正意义上的三维卫星导航定位，奠定了经过实践检验的科学技术基础。

在大桥覆盖的区域，系统可为测量用户提供基准站的相位数据，以网络RTK的方式进行厘米级高精度实时定位服务，结合高精度似大地水准面成果，用户只需一台接收机，几秒钟即可完成一点的三维定位工作，既迅速又方便，并且由于GPS测量直接对应于测点的位置坐标，精度高且均匀，极大的提高了工作效率。

青岛海湾大桥测量控制系统兼顾目前及今后的发展，将满足青岛海湾大桥控制点布设、施工测量、项目监理、移动目标导航、水下地形测量、地面沉降监测、基准点位移变化、气象预报、大桥安全监测等各种测量要求。

高精度局部似大地水准面及高精度GPS网成果，不仅可以建立与国家大地测量坐标相一致的精确的区域大地测量平面控制框架，而且结合高精度GPS大地高可以快速地获取地面点的水准高程，将极大地改善大型桥梁施工过程中传统高程测量作业模式，满足长距离一等水准测量的精度要求，从而使费用高、难度大、周期长的传统高精度水准测量工作量减少到最低限度，极大地提高了工作效率。似大地水准面成果结合GPS测量可以满足青岛海湾大桥施工测量和工程建设对高程精度的需要，具有特别重要的科学意义、社会效益和巨大的经济效益。