平潭海峡公铁两用大桥工程CORS关键技术
2017-11-01何广源吴迪军李剑坤
何广源,吴迪军,李剑坤
(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430050)
平潭海峡公铁两用大桥工程CORS关键技术
何广源1,吴迪军1,李剑坤1
(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430050)
介绍了平潭海峡公铁两用大桥连续运行参考站系统建设中的若干关键技术,探讨相应的解决方案,为其他类似工程CORS建设提供参考。
跨海大桥;CORS;关键技术;似大地水准面
近年来,GNSS连续运行参考站系统(简称CORS)技术逐渐被应用到跨海桥梁工程建设中。2010年11月,港珠澳大桥GNSS 连续运行参考站系统(HZMB-CORS)建成并投入正式运行[1],该系统是国内首个独立的基于VRS 的工程CORS,系统实时定位的平面精度优于2 cm,高程精度优于3 cm。相对于区域CORS、城市CORS来说,工程CORS的服务范围小、独立性强,但其定位精度、可靠性、可用性和稳定性等要求更高。以平潭海峡公铁两用大桥GNSS连续运行参考站系统(简称PTDQ-CORS)为例,对工程CORS建设中的若干关键技术进行探讨和分析,为其他类似工程CORS建设提供参考。
1 参考站选址测试
1.1 GNSS静态定位测试
PTDQ-CORS由4个连续运行的参考站、1个数据中心组成。建站前对各拟选参考站站址进行不少于24 h的静态数据记录测试,采用TEQC软件进行数据分析,统计卫星信号的接收状况、数据删除率、多路径效应、信噪比等指标,综合判断被测试站址是否符合GNSS静态观测要求。表1为4个参考站站址GPS静态观测测试数据的分析表,测试结果显示所选站址的各项指标均符合设计要求。
表1 GPS静态观测测试数据分析表
1.2 网络通信信号测试
移动网络通信信号的强弱及稳定性影响网络RTK流动站的定位速度和质量,因此参考站建站前必须在施工区域内进行网络RTK定位测试,来判断网络信号(GPRS/CDMA)的覆盖范围、可用性及稳定性等情况。测试方案如下:通过计算机模拟发射网络RTK信号,流动站利用GPRS/CDMA通信模式进行初始化,接收网络RTK信号并记录初始化时间及测点坐标等相关信息。测试轨迹图和初始化时间统计结果显示,桥址区域内移动通信信号稳定且较强,能满足流动站网络RTK的正常连接需求。
1.3 单基站无线电台信号测试
在PTDQ-CORS的2个参考站上增设无线电台,向海上流动站发送常规RTK差分数据。参考站建设之前,进行单基站电台无线电信号的测试。测试目的有两个:① 通过无线电台现场测试分析,选择其中受干扰最小、稳定性强的常用频段,作为无线电台频率设置的参考;② 测试不同功率发射的无线电信号的播发距离以及工程区域接收信号情况,确定能满足海上施工GPS定位要求的发射功率。测试结果表明,流动站在工程区域内任何空旷位置均能接收两个参考站无线电台的差分信号。
2 数据通信模式设计
2.1 总体设计
目前成熟的CORS网络技术包括虚拟参考站技术(VRS)、主辅站技术(MAC)、区域改正参数法技术(FKP)和综合内插技术(CBI)[2]。PTDQ-CORS采用基于VRS的Trimble Pivot平台作为系统核心处理及管理软件。系统采用双服务器热备份策略搭建系统构架,通过基于域名系统的网络负载均衡技术[3],将两台服务器以对称的方式组成一个服务器集合,以提高系统的稳定性和可用性。PTDQ-CORS网络数据通信的总体结构如图1所示。系统的网络通信包括两大组成部分:参考站与数据中心的通信、数据中心与用户端的实时通信。
图1 PTDQ-CORS网络通信的总体结构
2.2 参考站与数据中心的通信
参考站与数据中心之间数据传输的实时性和稳定性要求高,目前主要采用专线通信构建局域网方式实现,根据不同的技术特点可分SDH专线、DDN专线和VPN虚拟专线[4]。其中,VPN虚拟专线具有以下特点:虚拟和专用,即利用公共网络资源,不需要专门设置物理连接,具有专网特性,可实现公共资源与专用资源的合理配置,既能提高系统的运作效率,又可以节约专线租用费用。PTDQ-CORS采用基于VPN TCP/IP协议的光纤组网方式,通过固定IP地址实现虚拟局域网连接。为检测该组网模式能否满足系统网络稳定性要求,在数据中心的命令终端对4个参考站进行ping命令测试,测试总时长约65 h,测试结果统计见表2。
表2 各参考站网络延时测试指标统计表
从表2可知,实测数据丢包率和网络延时指标均达到设计标准,可见采用该组网方式进行参考站与数据中心的网络通信,能满足系统对网络通信的实时性、稳定性的高标准要求。
2.3 数据中心与用户端的数据通信
数据中心与用户端的数据通信采用具有效率高、稳定在线、按流量计费、费用低等特点的分组交换方式(即无线上网连接方式),其基本原理是:流动站用户只需配备开通无线网络GPRS/CDMA上网功能的GSM手机卡,通过授权访问IP地址和端口号,即可访问数据处理中心;数据中心根据获取的NMEA信息,将NMEA信息和已估计的系统参数为用户生成VRS改正数,并进行RTCM编码;通过支持国际标准通信协议(Ntrip)的管理软件,采用不同节点发送不同格式的改正数据;用户登录选择所需格式数据的节点,就可实时地得到改正数据,完成实时动态定位。
3 参考站坐标联测
3.1 参考站坐标联测
PTDQ-CORS的4个参考站与IGS站点、桥址附近3个福建省FJCORS参考站共同构网,按国家B级网要求联测7 d,计算得到参考站点在2000国家大地坐标系中的三维坐标。由4个PTDQ-CORS站与工程施工首级控制点组成工程网,按B级网要求联测4 d,计算得到参考站点的二维工程坐标。参考站点的高程按国家二等水准测量精度进行联测。
3.2 参考站稳定性监测
受站址处地质、气候及其他不稳定因素的影响,参考站点可能会产生位移,因此需要定期或不定期地对参考站点进行稳定性监测分析[5]。表3为PTDQ-CORS正式运行半年后各站点空间坐标变化统计表。从表中可知,4个参考站点具有良好的点位稳定性。
表3 参考站点坐标相对变化值统计表
4 精化似大地水准面模型的应用
进行区域似大地水准面精化是目前提高CORS系统高程精度最有效、可靠的手段[6,7]。PTDQ-CORS系统使用113个点的重力数据和工程网中15个GNSS水准点资料计算分辨率为2'×2'的区域似大地水准面模型,通过线性内插生成分辨率为1'×1'的似大地水准面成果并植入CORS系统。图2为PTDQ-CORS系统应用流程图。
PTDQ-CORS实时定位精度测试结果显示,引入工程区域局部似大地水准面模型后,提高了网络RTK实时定位的高程精度,满足“平面优于2 cm,高程优于3 cm”的精度设计要求。
图2 PTDQ-CORS系统应用流程图
[1] 吴迪军, 熊伟, 周瑞祥,等. 港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统设计与实现[J].测绘科学, 2013, 38 (2):62-64
[2] 黄俊华, 陈文森. 连续运行卫星定位综合服务系统建设与应用[M].北京:科学出版社,2009
[3] 周莹莲, 刘甫. 服务器负载均衡技术研究[J].计算机与数字工程, 2010, 38(4): 11-14
[4] 黄泽纯, 黄丁发, 熊永良,等. 面向服务的CORS网络数据通信方法研究[J].测绘通报, 2010(增刊):109-111
[5] 黄鹏. CORS站点稳定性分析[D].青岛: 山东科技大学,2013
[6] 黄祥雄, 廖超明, 曾教胜,等. 区域精化似大地水准面在工程三维GPS控制网建设中的应用研究[J].测绘通报,2010,38 (2):62-64
[7] 陈俊勇, 李建成, 宁津生,等. 全国及部分省市地区高精度、高分辨率大地水准面的研究及其实施[J].武汉大学学报(信息科学版), 2006,31(4) :283-288
P228
B
1672-4623(2017)10-0098-03
10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.032
2015-09-14。
何广源,硕士,工程师,研究方向为GPS理论及其在大跨度桥梁中的应用。