VRS技术在海湾大桥测量控制中的应用

周文健

（中铁大桥局集团第一工程有限公司，河南 郑州450053）

目前，跨越江河海湾的大型桥梁工程越来越多，大型的跨海大桥工程具有跨越水面长度大、桥型结构复杂、测量定位精度要求高、工程施工难度大等特点。因此，为其提供实时、高精度的测量定位服务是保证跨海大桥工程施工质量的重要前提，跨海大桥的控制测量之前采用GPS固定参考站系统的定位模式较多，这种固定参考站系统的定位精度较高，但GPS信号受到传输距离的影响较大，信号随距离增加会逐渐减弱，并降低实时定位的精度。现在随着GPS技术和网络信息化的发展，虚拟参考站技术（即VRS技术）已被广泛应用于桥梁施工放样测量中，并且作用越来越重要。青岛市海湾大桥的测量控制系统通过综合考虑，采用虚拟参考站技术的GPS综合应用系统，很好地解决了因跨海距离长信号无法锁定的问题，通过实践证明，VRS技术在青岛市海湾大桥的施工放样测量中，完全能满足大桥工程的施工精度，为跨海大桥的顺利建设提供有力的技术支撑。

1 工程概况

青岛市海湾大桥线路起于青岛市李村河大桥北200m处，沿李村河河道进入胶州湾，支线与红岛匝道互通连接线相接，主线跨越胶州湾并与黄岛东海岸的胶州湾高速公路东1km处的济青南线顺接，大桥主线长28.047km，其中跨海大桥长25.171km，由双塔钢箱梁斜拉桥、独塔钢箱梁斜拉桥、独塔自锚式悬索桥、非通航孔区的连续现浇及预制混凝土箱梁等多种桥型结构组成。该桥特点是跨海长度较长，中间没有岛屿可以利用，而海上施工标段众多，给整个大桥的测量控制及各单位的施工测量工作造成很大的难题，为了确保整个大桥的施工质量，提高大桥整体测量控制的精度，在整个大桥的测量控制中，采用基于VRS技术的GPS综合应用系统，确保青岛市海湾大桥的施工测量定位和工程施工质量。

2 VRS系统的设计目标

基于VRS技术运行的GPS测量综合应用系统，应充分考虑工程的具体需要和施工区域的客观条件，确保工程设计、施工和今后运营管理阶段各项测绘、定位和监测等工作的服务需要，系统应做到连续、可靠、高精度和多功能。采用现代通讯、计算机网络和GPS等技术相结合的系统设计方案，构建一个通用性的连续运行GPS测量综合服务系统，确保在整个工程范围内提供高精度实时定位及RTK测量等服务。这套GPS测量综合应用服务系统建成后，在整个大桥工程区域内，应全天候24h播发定位信息，各施工单位只要利用一台GPS测量型接收机进行RTK测量，实时精度即可达到平面2 cm、高程3cm以内，后处理达到5mm以内的精度，并且，要求该系统可以与多种实时用户数据中心相连接，完成系统信息的实时播发，即可以采用GPRS或无线电台技术中的任一种，完成向海中有效覆盖区域内的用户进行差分修正信息的播发服务功能。

3 VRS系统组成及原理

3.1 系统的组成

青岛市海湾大桥GPS综合应用系统由三个基准站、GPS接收机、网络设备、供电设备、GPS数据处理中心和GPS用户等几个部分组成。整个GPS监测系统组成框架如图1所示。

图1 青岛市海湾大桥GPS综合应用系统框架图

此系统的数据流由4种组成，即原始数据、差分信号、控制命令信号和状态信号。数据中心通过通讯网络接收基准站的GPS原始数据，由差分工作站作相应处理后，发送到用户，供精密定位解算。

1）GPS基准站。该综合系统分别在黄岛、红岛和青岛青银路上设置有三个GPS基准站，组成一个覆盖大桥施工、监测区域的差分网络，其主要由GPS接收机、网络设备和供电设备组成。GPS接收机主要接收原始数据，经网络设备传送到数据处理中心进行处理。

2）数据通信网。GPS基准站到数据处理中心的通信是通过光纤通信网络完成的，数据到实时用户端的差分信号发布选用GSM数据、GPRS等几种模式，对于海中的特殊用户，可架设短波电台发送差分信号。

3）GPS数据处理中心。GPS数据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。其主要功能是进行GPS RTK差分数据的处理发布、原始数据的分析和存储，以及对基准站和流动站进行实时控制和监控。

4）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差分信号，实时进行定位解算，达到厘米级定位精度，满足海中桥梁基础施工放样精度的要求。

3.2 系统的设计原理

该系统采用网络RTK技术，该技术是在卫星定位系统的基础上建立起来的实用技术，连续运行的参考站网与处理中心相连接，形成一个网络，处理中心进行数据解算，并将解算出的改正数实时地发送到用户站，用户同时能接收卫星信号和来自处理中心的改正信号，求解出测站的实时三维坐标。运用网络RTK中的VRS虚拟参考站技术，使系统测量误差不随与基准站的距离增大而变大，定位精度比较均匀，并能缩短初始化时间，提高点位精度和可靠性。

因此，该系统中VRS是网络RTK中最关键的技术，数据处理中心是通过接收整个网络中所有参考站的数据，解算系统误差改正数，为用户特别模拟一个就位于其身边的虚拟参考站。VRS系统工作的原理是，首先GPS流动站向数据处理中心发送它的概略位置，具体的方式是用移动信号链路（如GSM等）发送标准的位置信息，数据处理中心接收此位置信息并进行差分计算后重新向流动站发送改正过的RTK数据信息。

4 系统的特点及技术精度

4.1 系统的特点

1）提高定位精度和初始化时间。采用VRS系统后，施工单位无须再建立自己的参考站，减少了建立基准站时的误差，节省了大量的设备和时间，并保持了很高的初始化性能和精度。由于VRS系统通过电离层模型的计算拟合，在用户作业的位置虚拟了一个基准站，所以定位精度与基准站的实际位置没有太大关系，定位精度比较均匀。

2）兼容性。由于使用了自主开发的数据接收、分析软件，所以不但整个系统基准站可以利用不同厂商、不同型号的GPS接收机，具有兼容性，在流动站的使用上，因系统采用国际标准的RINEX原始数据文件格式和RTCM104差分格式进行发布，也使各用户的不同接收机，只要具备接收网络差分数据的功能，就基本都可以使用。

3）灵活性和多样性。系统的灵活和多样性是体现在通信及定位方式。系统的通信有多种方式，基准站到数据中心使用宽带通信，传输原始数据、星历数据和基准站的各种参数。差分信号既可通过数字电台直接发布，也通过无线通信公网（如GSM等）发布，对需要后处理数据的用户，也可以通过互联网进行下载。

系统的定位方式上，用户有单基站RTK和虚拟参考站系统（VRS）可以选择。单基站RTK是根据流动站用户的位置，选取离自己最近的基准站差分信号进行作业，特点是灵活方便。而VRS系统是通过各个参考站数据的联网运算，实时计算出流动站附近的一个虚拟参考站的差分信号，提高了定位精度和作业距离。

4.2 技术精度

1）覆盖范围广。该系统的GPS实时差分定位数据信号，能覆盖青岛市海湾大桥的所有作业区域和管理区域。

2）系统精度高。该系统的事后处理定位精度，水平方向≤3mm，竖直方向≤6mm，RTK实时定位精度，水平方向≤20mm，竖直方向≤30mm。

5 VRS系统的实际应用及RTK精度分析

5.1 VRS的实际应用

青岛市海湾大桥基于VRS技术的GPS综合应用系统的建成，主要是满足大桥对整个施工控制点的布设、施工测量、移动目标导航、水下地形测量、基准点位移变化及大桥安全监测等控制的要求。该综合系统建成运行以来，在大桥工程的施工过程中，发挥了很大的作用，特别是在前期海中没有测量控制点的情况下，为保证各施工标段测量基准的一致，使得工程结构物能够顺利衔接，在进行海中测量加密时提供了高精度的GPS定位数据，并使全桥建立了统一的测量基准，发挥了VRS系统的主要核心功能作用。

该GPS综合应用系统在青岛市海湾大桥整个建设期间，系统的数据传输稳定，后处理定位精度很高，在覆盖区域内的实时定位精度都能满足海上工程施工定位的要求，因此，该系统的成功运行为青岛市海湾大桥的顺利建设发挥了非常大的作用。

5.2 RTK精度统计分析

大桥GPS综合应用系统建成后，为了检核该系统的实时定位精度是否满足设计目标及工程施工的精度要求，在覆盖区域范围内的已知控制点上（陆地及海中）进行了2h实时RTK测量，以检验系统的定位精度、稳定性及可靠性。检验方法采集实时定位值与已知坐标值相比较来进行统计分析，具体测试方法是在已知控制点上进行初始化成功后，连续采集2h观测数据，手簿设置成采样间隔12s为一次，10次取平均值进行记录，每小时可观测记录30组数据，并自动保存在电子手簿中。具体各已知点上的检测数据（实时平均值）见表1。

表1 检测数据

从表1的检测的数据来分析，△X最大值为15.7mm、最小值为5mm，△Y最大值为12.3mm、最小值为6.2mm，△Z最大值为23mm、最小值为10mm，符合系统设计目标值的RTK精度要求:即水平 ≤20mm、垂直 ≤30mm，点位误差最大值为27.6mm≤41.2mm（点位设计精度），另外，在试验检测期间，流动站信号锁定良好，数据较稳定，故该系统总体性能和精度完全能满足跨海大桥工程的施工要求。

6 结束语

青岛市海湾大桥是我国建成的海上大型桥梁项目之一，该项目的关键测量技术，即是在大桥工程施工中，成功地采用了GPS综合应用系统中的虚拟参考站技术。这种网络RTK技术在桥梁下部施工中的放样精度完全能满足工程施工建设的要求，该系统在青岛市海湾大桥的工程建设中发挥了很大作用，特别是在海上工程施工的前期，在海中没有测量控制点的情况下，为保障海上桥梁工程的顺利施工创造了良好的条件，其系统精度达到了预期设计的效果，该技术为跨海大桥工程的顺利施工提供了有力的技术保障。

这种依托VRS技术的虚拟参考站系统，在海上大型桥梁工程中还是第一次成功采用，它有别于其它跨海大桥中采用的工程参考站技术，其GPS信号不随距离长短而变化，定位精度比较均匀和稳定，既可减少施工单位测量设备的投入，又能确保全桥测量基准的一致性。因此，此项测量控制技术可作为一种成熟的技术应用于大型跨海桥梁的施工测量控制中，对其它大型的基础工程施工也可提供一定的借鉴作用。

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