青島海灣大橋GPS測量控制系統建設與應用

一、項目簡介

青島海灣大橋是我國目前國有獨資單一企業投資建設的最大規模的交通基礎設施項目，是我國北方冰凍海域首座特大型橋梁集群工程，全長41.58km，其中一期工程全長28.880km，二期工程12.7km。大橋橫穿青島膠州灣，每年有50天以上的大霧，常有風大浪急的惡劣天氣，且同時展開的工作面多達上百個，如此密度的施工作業面在上述惡劣的條件下，常規測量手段存在極大的困難。為確保工程高質量、高效率地順利完成，并避免施工測量事故的發生，經論證工程采用了由首級平面及高程控制網、大橋GPS綜合應用系統和高精度三維控制基準及精密跨海高程傳遞三部分構成的整體方案。青島海灣大橋GPS測量控制系統，是全國首例為大型橋梁施工提供測繪服務而建立的高標準、高精度、多功能的綜合服務系統。

二、相關技術的綜合比較

由于GPS技術具有諸多優越性，在國內外的大型工程中都有應用，但是高精度的似大地水準面技術在大型橋梁施工中應用，本工程尚屬首例。下面以國內外大型工程為例進行對比分析。

1、GPS相關技術背景材料

2.1、丹麥與瑞典之間的連接道路

丹麥和瑞典之間即將貫通一個16km的隧道。主體工程已于1995年夏天開始啟動，而GPS是這個工程最重要的測量工具。工程建設管理局建設了一個包括5個固定站，一個流動站和一個監測/控制系統，系統主要提供實時平面測量，定位精度達到3cm，同時提供數據后處理服務。

2.2、香港青馬大橋

香港特區政府路政署決定使用GPS技術對三座大橋進行全自動、全天候、連續實時高精度的變形監測，系統已于2001年1月正式建成并投入運行，該系統通過對橋梁位移和變形墩的高精度實時監測和分析，為橋梁的管理和維護提供依據。

2.3、GPS在杭州灣大橋施工中的應用

目前在杭州灣大橋施工區域，設置了三個參考站，分布于南北兩岸和海中B試樁平臺上，通過無線電臺每天24小時不間斷地向海上流動站發布差分信號，使海上流動站可以隨時進行打樁、套箱安裝等工程施工的精密定位和竣工偏位測量。

2、高精度三維控制基準及精密跨海高程傳遞研究

隨著現代大地測量技術的發展及其在相關地學(如地球物理學、海洋學)中應用的不斷擴展，大地水準面的研究在大地測量學的發展中始終保持著重要地位，不斷提高其分辨率和準確度以滿足應用上的高要求，始終是大地測量學中一項艱巨的任務，其近期目標是在全球范圍內確定具有5′×5′的分米級進而1′×1′的厘米級精度的大地水準面，這一目標在一些發達國家正在實現。

在常規大地測量中，大地水準面高是將地面測量結果投影歸算到參考橢球面所必需的基礎數據；大地水準面是定義正高高程系統的基準面，是大地測量學的垂直基準面，又是確定參考橢球的一個約束面，由參考橢球面與大地水準面的最佳擬合準則可求定參考橢球的形狀、大小和定位參數，因此大地水準面是定義和建立大地測量坐標系起基準作用的一個曲面。

本項目在青島海灣似大地水準面計算中，采用了1364個點重力數據和15個高精度GPS水準四期觀測資料，EIG04C地球重力場模型作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了大地水準面的計算。重力似大地水準面與獨立的四期15個高精度GPS水準資料比較的最優精度為±0.004m。

重力數據分布圖

2′30″×2′30″重力似大地水準面圖(米)

2′30″×2′30″重力似大地水準面圖(米)

3、似大地水準面精化相關技術

青島海灣大橋高精度三維空間測量控制系統利用連續運行的網絡差分技術，克服了國內同類系統建設時精度隨距離變化的問題，利用光纜專網、互聯網、電話網與移動網的多種通信方式，進行網絡差分定位、單點定位和后處理高精度定位，利用自主開發的高精度數據自動處理及GPS水汽反演軟件，精確確定基準站的位置和大氣壓力、溫度、濕度與水汽含量；具有通過WEB方式發布GPS原始定位數據、數據質量信息及水汽數據等功能。在特大型橋梁建設中，系統使用的定位方式、定位精度、通信手段和用戶使用的靈活性均處于國內領先水平。與其他大橋GPS應用系統比較的差別具體表現在：系統的應用范圍不同，數據處理技術不同，定位的方式不同。

青島海灣高精度局部似大地水準面及高精度GPS網成果，是目前精度最高的似大地水準面，不僅可以建立與國家大地測量坐標相一致的精確的區域大地測量平面控制框架，而且結合高精度GPS大地高可以快速地獲取地面點的水準高程，將極大地改善傳統高程測量作業模式，滿足長距離一等水準測量的精度要求，從而使費用高、難度大、周期長的傳統高精度水準測量工作量減少到最低限度。似大地水準面成果結合GPS測量可以滿足青島海灣大橋施工測量和工程建設對高程精度的需要。本工程首次將高精度的似大地水準面精化技術應用于大型橋梁施工中，具有特別重要的科學意義、社會效益和巨大的經濟效益。

三、青島海灣大橋GPS綜合應用系統建設

青島海灣大橋測量控制系統采用目前先進的全球衛星定位技術，并兼顧其他測量技術和國內外先進的無線電通信技術，采用公共通訊網，統一標準、統一管理，充分利用現有的資源和基礎設施，以提高經濟效益。該系統兼顧目前及今后的發展，滿足青島海灣大橋控制點的布設、施工測量、項目監理、移動目標導航、水下地形測量、地面沉降監測、基準點位移變化、氣象預報、大橋安全監測等多方面的需求，也可以為青島市的規劃、建設、管理等各個單位提供高精度的三維空間坐標信息。

3.1 系統建設內容

建設內容為如下幾項：

1）建立由3個GPS衛星連續跟蹤站組成的首級GPS區域網，該網與原有GPS控制網聯測構成二等控制網，成為青島海灣地區高精度三維大地測量控制網，為大橋的建設管理提供高精度的GPS觀測數據，使后處理達到毫米級的定位精度。

控制網示意圖如下：

首級高程控制網布設如下圖所示。

2）利用連續跟蹤站組成的GPS區域網。連續發布偽距差分信號和載波相位差分信號，使實時用戶獲得不隨距離變化的差分信號。

3）利用該網中基準站長期觀測的數據，積累大橋地區地殼形變資料，為大橋地區形變監測、沉降監測提供實測數據。

4）該網將形成覆蓋大橋區域的GPS氣象服務網，提供高精度、高時空分辨率、全天候、近實時的水汽變化參數，并由此形成一個大橋區域的突發性、災害性天氣預報新系統。

5）與現有的水準點進行聯測，精化大地水準面，滿足了大橋建設對高程精度的需要。

6）將定位數據作為一種寶貴的資源加以開發、共享，滿足青島海灣大橋與青島市的其他社會需求。

3.2 技術指標

覆蓋范圍：大橋所有作業區域和管理區域，并對青島、黃島等臨接城區進行有效覆蓋。

精度：后處理精密定位精度，水平方向≤3mm，垂直方向≤6mm；RTK實時定位：水平方向≤2cm，垂直方向≤3cm。

可用性：靜態，一年內可用性95%；動態，一年內可用性95%。

完好性：報警時間＜6s；誤報概率＜0.3%。

青島海灣大橋測量控制系統結構圖

3.3 系統原理

青島海灣大橋測量控制系統由GPS基準站、有線、無線通信網、GPS用戶和數據中心幾個部分組成。

GPS基準站：建設3個基準站，采集原始觀測數據，組成覆蓋大橋區域差分網絡。輸出的原始數據由網絡設備傳送至中心站進行處理。

數據通信網：GPRS無線DDN通信系統為行業用戶提供永遠在線、透明數據傳輸的虛擬專用數據通訊網絡，同時采用專網將基準站數據傳輸到數據中心。

數據中心：GPS監控中心由數據庫服務器、VRS工作站、原始數據自動處理工作站和監控工作站組成。其主要功能是接收基準站的原始數據進行處理，形成差分信息并發布。同時對原始數據的分析和存儲，對基準站進行控制和監視。

GPS用戶部分：GPS用戶包括實時用戶和非實時用戶。實時用戶通過無線方式接收GPS差分信息進行實時定位，實時定位解算可以達到厘米級的定位精度。對高精度監測的用戶，可以利用快速靜態和靜態測量模式，下載基準站的數據進行解算，定位精度達到毫米級。

整個系統的組成如下圖：

3.4 基準站組成和建設

連續跟蹤站選址充分考慮安全、供電、通信、交通等多種因素，為便于管理、維護和解決通信問題，連續跟蹤站選在大橋附屬設施附近。為了增加基準站的穩定性，基準站應建設在基巖上，周圍無高大遮擋物，無微波輻射和強電場干擾及落雷區；根據以上要求，選擇青銀路、紅島、紅石崖三個收費站作為基準站的建設地點，并對建站地點環境進行了測試，符合建設要求。基準站設備主要由GPS接收機、工控機、氣象儀和網絡通信設備組成，結構如下：

數據中心主要功能有如下幾項：

1）自動處理服務器安裝原始數據自動處理軟件，自動處理基準站的原始數據，及時修訂基準站的坐標。自動化后處理軟件是基于高精度數據處理軟件，編制自動下載、處理、存儲、顯示、報警的綜合處理系統，此系統自動化程度高，功能齊全，大大增強了海量數據的處理能力，減少人工投入，降低技術門檻。整個系統分為原始數據采集存儲、自動處理、Web顯示等組成部分，其中自動處理又包括IGS自動數據下載、觀測數據自動獲取、原始數據自動處理、結果數據自動存儲和錯誤信息自動報警等功能；生成基準站位移圖和水汽反演圖。

2）監控工作站實時監控基準站GPS接收機的工作狀況，設置GPS接收機，同時監控用戶接收機的定位結果，也可以通過視頻方式對基準站進行監控。

3）數據庫服務器具有管理、備份原始數據、監控數據、提供基準站坐標數據等功能。

4）訪問服務器負責實時用戶的撥號接入。

5）VRS服務器負責接收原始數據，經過聯網處理，生成差分信號及管理用戶的撥入。

基準站結構圖

四、創新點

本項目成果主要創新點為：

1、創新性的將現代測繪技術、信息技術有機集成，綜合應用于大橋的施工建設和檢測中；

2、創新性的將高精度似大地水準面精化技術應用于跨海高程傳遞，對大型橋梁建設中測量控制系統的建立具有重要的示范和推廣價值；

3、區域大地水準面精化方法使精密跨海高程傳遞精度達到±5mm。

五、總結

青島海灣大橋測量控制系統的完成，不僅解決了平面測量問題，同時解決了高精度高程測量問題，實現大橋施工中的三維一體化測量。項目成果實現了區域性利用廉價高效的衛星定位，取代高價低效的水準測量，直接測定海拔高的目標；突破了長期困擾測繪行業的高程測量技術上的瓶頸問題；引領了我國高程測量模式的革命性轉變和向生產力的轉化；為我國全面實現真正意義上的三維衛星導航定位，奠定了經過實踐檢驗的科學技術基礎。

在大橋覆蓋的區域，系統可為測量用戶提供基準站的相位數據，以網絡RTK的方式進行厘米級高精度實時定位服務，結合高精度似大地水準面成果，用戶只需一臺接收機，幾秒鐘即可完成一點的三維定位工作，既迅速又方便，并且由于GPS測量直接對應于測點的位置坐標，精度高且均勻，極大的提高了工作效率。

青島海灣大橋測量控制系統兼顧目前及今后的發展，將滿足青島海灣大橋控制點布設、施工測量、項目監理、移動目標導航、水下地形測量、地面沉降監測、基準點位移變化、氣象預報、大橋安全監測等各種測量要求。

高精度局部似大地水準面及高精度GPS網成果，不僅可以建立與國家大地測量坐標相一致的精確的區域大地測量平面控制框架，而且結合高精度GPS大地高可以快速地獲取地面點的水準高程，將極大地改善大型橋梁施工過程中傳統高程測量作業模式，滿足長距離一等水準測量的精度要求，從而使費用高、難度大、周期長的傳統高精度水準測量工作量減少到最低限度，極大地提高了工作效率。似大地水準面成果結合GPS測量可以滿足青島海灣大橋施工測量和工程建設對高程精度的需要，具有特別重要的科學意義、社會效益和巨大的經濟效益。