港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统的设计与建设

熊 伟 吴迪军

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430050)

港珠澳大桥是具有国家战略意义的世界级跨海通道，由海中桥隧工程和香港、珠海、澳门三地口岸及连接线构成。海中桥隧工程总长约35.6 km，由海底隧道(长约6.7 km)、两个人工岛及桥梁(总长约22.9 km)组成，桥位处跨海距离超过32 km。海底隧道施工定位精度要求高，海中工程施工无法使用常规测量方法完成定位，必须采用卫星定位技术。为此，在工程开工前建立了工程专用GNSS连续运行参考站系统(简称为HZMB-CORS)。目前，系统运行正常并在工程建设中发挥重要作用。

与国内外已建成的区域CORS[1-2]和其他工程CORS[3]相比，HZMB-CORS的建设难度更大，需要解决的技术问题更多、更复杂。

①定位精度要求高：水平方向优于2 cm，垂直方向优于3 cm。我国已建成的省级、城市级区域CORS及工程CORS的实时定位精度一般为：水平≤3 cm，垂直≤5 cm，本系统的精度要求明显高于其他已建CORS系统。

②跨境协调难度大：HZMB-CORS跨越香港、珠海、澳门两岸三地，需要解决参考站建设、网络通讯、无线电台频率申请审批及坐标系统转换等一系列跨境技术难题。

③系统稳定性和可靠性要求高：工程施工期间，系统必须提供24 h连续不间断的实时差分定位服务。

④卫星定位环境恶劣：大桥处于低纬度地区，工程区域内电离层十分活跃，山峦起伏、植被覆盖率高，海面水域宽阔，施工中信号干扰较大，导致对流层延迟、电离层延迟、多路径效应等各类卫星定位误差影响突出，严重制约系统定位精度的提高。

近十余年来，省级、城市级区域CORS在我国得到了空前的发展[4-6]，但工程CORS在我国仍处于起步阶段，尚无完整意义上的工程CORS系统用于工程施工。长距离、超长距离跨海桥隧工程的快速发展，给工程CORS系统带来了良好的发展机遇和挑战。以港珠澳大桥为依托，重点研究工程CORS设计和建设中的相关关键技术问题。

1 系统的总体设计

1.1 系统组成与结构设计

HZMB-CORS系统由分布在珠海、香港两地及海中的4个连续运行参考站、1个数据中心和1个监测站组成(如图1所示)。

图1 HZMB-CORS参考站网分布

HZMB-CORS由参考站网子系统、数据中心子系统、数据通讯子系统、用户服务子系统和实时监测子系统5大子系统组成。参考站网子系统(Reference Station Sub-System)简称RSS，参考站简称RS；数据中心子系统(System Monitoring and Analysis Center)简称SMAC；数据通讯子系统 (Data Transfers Sub-System)简称DTS；用户服务子系统 (User Application Sub-System)简称UAS；实时监测子系统(Real Time Monitoring Sub-System)简称RTMS。HZMB-CORS的总体结构设计如图2所示。参考站的GNSS观测数据首先通过专线通讯网汇集到数据中心，在中心服务器上使用GPSNet软件进行数据统一解算和原始数据存储，并通过GPRS/CDMA网络向流动站用户GNSS接收机发送差分数据，提供厘米级的实时定位服务。同时，在珠海野狸岛、香港虎山及东人工岛参考站上分别架设无线电台，发送传统的差分信号，作为网络RTK的一种辅助方式，为流动站用户提供常规RTK定位服务。

图2 系统总体结构设计

1.2 系统功能设计

(1)系统信号覆盖整个工程区域，能为大桥建设及运营期间的测量定位、变形监测及海上导航等提供各种精度的GNSS差分服务。

(2)采用GPRS/CDMA通讯技术和UHF无线电台广播两种方式向流动站播发差分信号，为流动站用户提供GNSS实时差分定位服务(非完全隐蔽区内定位精度优于：平面±2 cm，高程±3 cm)。

(3)通过Internet或其他手段，向用户提供事后精密定位服务。

(4)系统安全性良好，能够有效抵御恶劣气候等外界因素对系统正常运转的影响，同时防止非授权用户通过网络等其他手段访问系统。

(5)系统具备工程坐标转换参数保密功能。将工程坐标转换参数设置于数据中心服务器中，对于用户的实时请求，服务器直接计算并转换出工程坐标给用户，用户无需在自己的手簿中输入转换参数。

(6)实现参考站无人值守、自动运行，年运行可靠率95%以上。

(7)具备系统设备完好性检测功能，系统自动对设备进行自检，出现问题时有报警功能。

(8)支持数据中心以远程方式对参考站设备(接收机、气象仪、UPS电源)进行设定、控制和检测。

2 系统建设

根据工程施工实际情况，采取统一规划、分阶段实施的建设方案。第一阶段建成由珠海YELI、YNHN和香港HUSN 3个参考站及数据中心，监测站构成的完整CORS系统；第二阶段，在海中测量平台建成后，增设东人工岛参考站，并入HZMB-CORS。第一阶段的系统建设于2010年3月开始，同年11月建成并通过专家验收。第二阶段的建设也已完成，通过系统测试和验收后即将投入正式运行。系统建设主要参考参考站网建设规范[7]等国家现行标准，并充分考虑到工程需求及场地条件。

2.1 参考站选址与测试

参考站站址处应视野开阔，距易产生多路径效应的地物的距离不小于200m，具有10°以上地平高度角的卫星通视条件，站点200m范围内无强电磁场或者发射源，避开易产生振动的地带。应选择地质条件良好、地基稳定的地方建站，尽可能将观测墩建在基岩上。应能提供安全可靠的交流电电源、通信系统，便于接入公共通信网络；交通应便利，便于观测和维护。根据以上原则，经过仔细分析和实地踏勘，选定珠海野狸岛(YELI)、洋环(YNHN)、香港虎山(HUSN)站和海中东人工岛站(DRGD)站址。

站址初步选定后，进行了选址测试。测试内容包括：无线电信号测试、网络通讯接收GDCORS信号测试和参考站处静态数据测试三个部分[8]。实地测试结果表明：无线电台信号可完全覆盖港珠澳大桥主体工程施工区域，虎山、野狸岛、洋环和东人工岛4个参考站处信号接收状况良好，满足设计要求。

2.2 参考站建设

(1)土建工程

参考站土建工程包括观测墩、电台天线柱、供电设施、通讯网络工程、防雷设施等参考站设施的施工。观测墩的设计和建造均根据站址地形地质条件进行设计和施工，要求各参考站控制点年最大位移量在±2 mm以内，确保其稳定性满足高精度定位的需要。

野狸岛参考站观测墩建造在稳固的岩石基础上，观测墩基础嵌入岩面以下1.4 m。洋环参考站观测墩基座为钢筋混凝土结构，基座嵌入岩面以下0.3 m。虎山参考站建造在坚硬土层上，观测墩地基土表层为花岗岩残积层，底部为花岗岩中等风化层，底部土层承载力大于1 500 kPa，远高于设计图要求的200 kPa。东人工岛参考站建造在稳固的海中测量平台上。

(2)电力工程

各陆地参考站采用就近专线专变压器接入市电、大容量USP补充的方式供电。海上东人工岛参考站采用太阳能电池板和USP结合方式供电，保证各参考站连续不间断运行。

(3)防雷工程

直击雷防护工程主要包括避雷针的安装、接地网的安装以及设备等电位接地处理。经过接地电阻测试，野狸岛站、洋环站及虎山站的接地网竣工实测接地电阻分别为3.2 Ω、2.4 Ω及3.4 Ω，均达到设计要求(接地电阻不大于4 Ω)。

(4)设备安装调试

参考站的核心设备为Trimble NetR8/R9型GPS接收机及Trimble Zephyr Geodetic 2天线，并配备电台、气象仪、UPS、网络摄像头等其他设备。

2.3 数据中心设计与建设

数据中心是HZMB-CORS的核心单元，由计算机网络系统和软件系统等软硬件组成，与各参考站之间依靠光纤专线网络连接。数据中心具备数据处理、运营管理和信息服务三大主要功能。数据中心机房组成独立的局域网，并与监测站相连，通过专用的监测软件实时监测系统的稳定性和可用性。

数据处理软件采用GPSNet V2.74及其配套软件，能同时对GPS卫星和GLONASS卫星信号进行处理。经过测试期间的试运行，软件能够解算出(Sloved)的卫星数和跟踪到(Tracked)并参与解算(Processed)的卫星数基本相同，少有卫星解算不出固定解的情况。测试结果显示：系统在24 h内的可用性为97.1%，达到了95%的设计标准。

2.4 通讯网络设计与建设

通讯网络是CORS系统的重要组成部分，其传输速率与稳定性直接影响CORS系统运行，HZMB-CORS系统选择最为稳定与高质量的通讯线路。

野狸岛、洋环2个站点采用2M SDH/MSTP专线方式与数据中心相连；香港虎山、采用1M MPLS VPN方式与数据中心相连；数据中心使用4M光纤与各参考站连接，各参考站与数据中心全部采用专线方式连接，保证数据中心能快速获得各参考站的GNSS数据流。同时数据中心通过1M光纤专线连接Internet网络，通过固定IP向流动站用户提供差分改正数据。

2.5 监测站设计与建设

HZMB-CORS是大桥建设中具有控制作用的基础性设施之一，其定位精度及其可靠性将直接影响到大桥施工质量和施工进度。为实时了解系统运行的稳定性、可靠性及可用性，专门设计和建立了一个监测站对系统运行状况进行连续不间断的实时监测，以便对系统故障及时报警并做出相应处理。

监测站通过线缆与安置在数据中心机房中的GNSS主机相连，GNSS通过串口与解算服务器相连，用VRS方式进行定位，观测数据直接传入数据中心的监测软件中，实时反映系统的定位情况，实时显示监测站的WGS-84坐标、卫星数与HDOP值、定位状态、实时坐标与已知坐标的较差等信息，并具有数据存储及报警等功能。

2.6 参考站坐标与高程联测

将HZMB-CORS参考站及监测站与先期建立的港珠澳大桥首级控制网[9]进行坐标和高程联测，将首级控制网测量基准精确传递到HZMB-CORS参考站网上，建立港珠澳大桥工程坐标系[10]，为后续工程勘察设计和施工提供统一的坐标基准。通过联测得到参考站的ITRF2005框架坐标、桥梁工程坐标及隧道工程坐标、1954年北京坐标、香港坐标以及澳门坐标，并确定各坐标系统之间的转换关系。

坐标联测参照国家B级GPS网精度执行，采用国际先进的数据处理软件和精密星历进行基线解算，使用武汉大学研制的CosaGPS软件进行网平差。解算结果显示：参考站及监测站在桥梁工程坐标系中的二维点位精度均优于3 mm。参考站墩顶高程采用倒悬水准尺二等精密水准测量方法连测，并以三角高程测量方法进行校核。测得的各参考站水准高程与三角高程的较差均小于1 mm。

2.7 精化似大地水准面模型的应用

港珠澳大桥首级控制网建网期间，建立了大桥区域高精度局部大地水准面模型。为了检验该模型的精度，在香港、珠海和澳门三地选择27个已知水准点，通过GPS静态观测测定各点的大地经、纬度和大地高，应用该模型计算高程异常，得到各点的拟合高程，再与已知高程比较，计算出拟合正常高与已知水准高的较差。测试结果显示：测试点高程较差的均值为6 mm，满足本系统应用的需要。

将精化似大地水准面成果植入HZMB-CORS数据中心服务器中，通过Trimble Transformation Generator(TTG)配合GPSNet软件，即可实现流动站RTK作业时实时获得正常高数据，供流动站用户实时获得高精度的高程定位结果。

2.8 系统测试及结果分析

在第一阶段建设完成后进行了系统测试，包括系统可用性测试与实时定位精度测试两部分。可用性测试主要在海中主体工程施工区域进行，测试点分布于港珠澳大桥主体工程中线两侧约2.5 km范围内，测试CORS系统在海上工程施工区域内的可用范围及初始化时间。实时定位精度测试在26个测试点(包括首级控制点、首级加密点及新增测试点)上进行，测试点分布于珠海、香港、澳门及珠澳口岸人工岛上。通过测试数据分析，得出：网络差分信号在海中可覆盖港珠澳大桥主体工程建设区域。系统的实时定位精度：平面为1.0 cm，高程为1.4 cm，达到系统设计的“平面优于2 cm，高程优于3 cm”的精度要求。

3 结束语

港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统是国内首个独立的基于VRS的工程CORS，也是首个跨境工程CORS。系统采用目前世界上先进的GNSS参考站设备和系统软件，建立了高效的光纤专线网络及安全性高的防雷设施，系统运行稳定性及可靠性高；提供多种定位方式，系统定位服务范围可覆盖港珠澳大桥主体工程建设区域；将精化大地水准面模型应用到系统中，提高了系统实时定位的高程精度；建立了系统监测站，开发了相应的监测软件，设计并实现了工程CORS系统的实时监测子系统。

系统自2010年11月正式投入正式运行以来，已在大桥建设期间经受了检验，总体上讲，系统本身运行情况良好，全面实现了系统的设计功能和性能指标。作为国内首个直接用于施工的工程CORS，无类似的工程应用经验可供借鉴，因此，面对各种复杂环境和施工条件，会出现许多新的困难，需要在使用过程中不断摸索并加以解决，不断对系统进行完善和改进，提高系统性能，使其更好地为港珠澳大桥施工提供定位服务。

[1] 张西军，唐卫明，曾广鸿，等.广州市CORS系统实时动态定位精度测试[J].测绘信息与工程，2008，33(5):6-8

[2] 马建平，高星伟，程鹏飞,等.浙江省连续运行卫星定位服务系统技术设计与试验[J].测绘科学，2008，33(5):132-134

[3] 韩守信，赖增先，王新文,等.青岛海湾大桥GPS参考网站的设计与实施[J].山东科技大学学报：自然科学版，2007，26:1-3

[4] 过静珺，王丽，张鹏.国内外连续运行基准站网新进展和应用展望[J].全球定位系统，2008(1):1-10，35

[5] 陈俊勇，党亚民.全球导航卫星系统的进展及建设CORS的思考[J].地理空间信息，2009，7(3):1-4

[6] 汪伟，史廷玉，张志全.CORS系统的应用发展及展望[J].城市勘测，2010(3):45-47，55

[7] CH/T 2008—2005 全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范[S]

[8] 刘喜.CORS站址选择及测试数据分析方法的研究[J].测绘与空间地理信息，2010，33(6):41-44

[9] 吴迪军，熊伟，郑强.港珠澳大桥首级控制网复测方法研究[J].工程勘察，2011(9):74-78

[10] 吴迪军，熊伟.港珠澳大桥工程坐标系设计[J].测绘通报，2012(1):53-55，90