VRS系統(tǒng)在大型跨海大橋中的應(yīng)用

趙亞蓓 荊地 時建新

（1.河南測繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450005；2.中鐵七局集團第一工程有限公司，河南 洛陽 471001）

虛擬參考站技術(shù)（即VRS系統(tǒng)）是一種基于多參考站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的GPS實時動態(tài)定位技術(shù)。該技術(shù)利用地面布設(shè)的多個參考站組成GPS連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)（ CORS），綜合利用各參考站的觀測信息，通過建立精確的誤差模型，在移動站附近產(chǎn)生一個物理上并不存在的虛擬參考站（VRS）。由于VRS位置通過流動站接收機的單點定位解算來確定，故VRS與移動站構(gòu)成的基線通常只有幾米到十幾米，移動站與虛擬參考站進行載波相位差分改正，實現(xiàn)實時RTK定位。

VRS系統(tǒng)的工作原理是GPS流動站向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送它的概略位置，具體方式是用移動電話鏈路（如GSM等）發(fā)送標準的位置信息，數(shù)據(jù)處理中心接收此位置信息并進行差分計算后重新向流動站發(fā)送改正過的RTK數(shù)據(jù)信息[1]。VRS系統(tǒng)的工作流程為：參考站把觀測數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)控制中心，控制中心實時建立誤差模型；流動站把觀測數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)控制中心，控制中心在移動站附近創(chuàng)建一個虛擬參考站（VRS）；流動站接收控制中心發(fā)送的虛擬參考站差分改正信息或者虛擬觀測值，進行差分解算得到用戶的精確位置，從而得到厘米級的定位。

VRS系統(tǒng)由三個以上的固定基準站組成，站與站之間的距離可達70km，固定基準站負責(zé)實時采集GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并傳送給GPS網(wǎng)絡(luò)控制中心[2]。由于這些固定基準站有較長時間的觀測數(shù)據(jù)，并通過高精度基線解算軟件GAMIT進行結(jié)算，故點位坐標精度較高。

2 VRS系統(tǒng)在跨海大橋控制網(wǎng)加密中的應(yīng)用

2.1 VRS系統(tǒng)的組成

VRS系統(tǒng)由三個基準站和GPS接收機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、供電設(shè)備、GPS數(shù)據(jù)處理中心、GPS用戶等組成，組成框架如圖1所示。VRS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流由原始數(shù)據(jù)、差分信號、控制命令信號和狀態(tài)信號組成。數(shù)據(jù)中心通過通信網(wǎng)絡(luò)接收基準站的GPS原始數(shù)據(jù)，由差分工作站作相應(yīng)處理后，發(fā)送到用戶，供精密定位解算。VRS系統(tǒng)為RTK差分定位，即接通后提供基準站觀測值、星歷及坐標，GSM模式下時延＜2s，后處理數(shù)據(jù)可通過Internet網(wǎng)下載傳送基準站測量原始數(shù)據(jù)、廣播星歷或精密星歷、導(dǎo)航文件等。事后處理精密定位精度能達到水平方向≤3mm，豎直方向≤6mm，RTK實時定位精度，水平方向≤20mm，豎直方向≤30mm。

圖1 VRS系統(tǒng)組成框架圖

2.2 平面加密網(wǎng)的布設(shè)

海中施工加密網(wǎng)的布設(shè)原則是，在保證施工放樣精度的前提下，要方便工程施工，滿足高程貫通測量的要求，確保測量平臺的穩(wěn)定。施工加密控制網(wǎng)分陸地和海上兩部分。陸地部分采用GPS平面控制和水準聯(lián)測同時進行，海上部分采用測量平臺方案來進行測量控制，以滿足各自施工放樣需要和全橋高程貫通的要求。在實施過程中，測量平臺要有足夠的穩(wěn)定性和良好的通視性，其搭設(shè)要滿足具體的技術(shù)要求。另外，為加強通航孔橋的控制，通航孔橋主墩附近可增設(shè)測量平臺，以確保大橋海中工程的順利施工。

跨海大橋加密控制網(wǎng)是施工測量的專用控制網(wǎng)，某跨海大橋按C級GPS網(wǎng)建立，共布設(shè)69個加密點，其中海上平面加密點有56個，陸地上加密點有13個。陸地上點位為普通標石，埋設(shè)在穩(wěn)定且不宜被施工破壞的位置，海中測量加密點全部布設(shè)在專用測量平臺上，海中部分控制點為普通標石，部分控制點為強制觀測墩，全部點位條件均能滿足GPS觀測及常規(guī)測量施工放樣的需要，每個點至少與相鄰兩點通視。某跨海大橋施工測量加密控制網(wǎng)布設(shè)如圖2所示。

圖2 某跨海大橋施工測量加密控制網(wǎng)布設(shè)圖

2.3 GPS外業(yè)觀測

為保證外業(yè)GPS觀測質(zhì)量，GPS觀測作業(yè)前，根據(jù)觀測作業(yè)量、網(wǎng)形設(shè)計、綜合交通條件、儀器設(shè)備、運輸工具以及點位的地理位置，制定了詳細的觀測作業(yè)計劃。外業(yè)觀測應(yīng)嚴格按照計劃執(zhí)行，統(tǒng)一調(diào)度，實際作業(yè)情況有變動的，應(yīng)及時作出調(diào)整。

平面控制網(wǎng)采用GPS靜態(tài)相對定位方法完成，一級加密控制網(wǎng)有69個點，聯(lián)測已知點12個(3個參考站點和9個首級網(wǎng)點)。GPS觀測共投入20臺GPS接收機，按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》（GB/T 18314—2001）中C級GPS網(wǎng)精度進行布測，為保證加密網(wǎng)成果精度，GPS控制網(wǎng)采用邊連接和網(wǎng)連接方式布設(shè)，對于跨海長基線邊每時段觀測3小時，陸地區(qū)短基線邊每時段觀測長于70分鐘，重復(fù)設(shè)站率不小于2[3]。GPS天線安置要嚴格對中整平，天線高的量取應(yīng)精確，測前、測后量取兩次，取平均值，并詳細記錄。作業(yè)人員按規(guī)定的操作程序進行作業(yè)，以確保接收機接收到的各種信息、數(shù)據(jù)有效和準確。

2.4 基線解算

通過檢核，保留合理基線，對不合要求的基線需仔細分析、準確判斷，根據(jù)需要進行合理取舍。

2.5 GPS加密網(wǎng)平差

2.5.1 WGS-84坐標系中的三維平差

后的約束平差計算即可。

取一個首級網(wǎng)GPS控制點或參考站點為基準點進行平差，來評定GPS網(wǎng)的內(nèi)部符合精度與外業(yè)觀測質(zhì)量，利用基線向量改正數(shù)進行粗差檢驗，基線向量改正數(shù)（VΔX、VΔY、VΔZ）的絕對值應(yīng)滿足如下要求：

VΔX≤ 3σ； VΔY≤3σ；VΔZ≤ 3σ

若出現(xiàn)超限情況，一般可認為該基線或其附近的基線存在粗差，應(yīng)對相關(guān)基線進行仔細分析、剔除。必要時還須補測GPS基線，直至符合上式限差的要求。

2.5.2 測區(qū)80坐標系中的平差

測區(qū)80坐標系與1980西安坐標系只在坐標軸上存在平移關(guān)系，其他系統(tǒng)定義相同，將1980西安坐標系下坐標成果按數(shù)學(xué)關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，從而求出加密網(wǎng)各控制點的80坐標系成果，因此，在1980西安坐標系下，固定所有首級網(wǎng)點和參考站已知點進行二維約束平差，得出各控制點的80坐標系坐標。

2.5.3 大橋施工坐標系中的平差

經(jīng)過測區(qū)80坐標系平差后，在大橋施工坐標下，固定聯(lián)測的全部首級GPS點和參考站點的大橋坐標，在大橋施工坐標系（投影面高程12米或50米，中央子午線120°15′）中進行二維約束嚴密平差，得出各控制點的大橋施工坐標系坐標(投影面高程12米或50米)。

3 結(jié)束語

VRS系統(tǒng)在連續(xù)運行中，數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定，后處理定位精度高，在覆蓋區(qū)域內(nèi)實時定位精度都能滿足海上工程質(zhì)量要求，在跨海大橋的工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，特別是海上橋梁工程施工時，前期海中沒有測量控制點，VRS系統(tǒng)為保障順利施工創(chuàng)造了良好條件。因此，VRS系統(tǒng)可作為一種成熟技術(shù)全面應(yīng)用于大型跨海橋梁的施工測量控制中，對其他大型的基礎(chǔ)工程施工有一定借鑒作用。

[1]黃凱,呂華 新.虛擬參考站技術(shù)(VRS)在城市控制網(wǎng)應(yīng)用中精度分析[J].測繪與空間地理信息,2007,(6):144-147.

[2]楊小軍.虛擬參考站(VRS)技術(shù)與差分改正信息的研究[D].成都:西南交通大學(xué).2005:1-69.

[3]全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范:GB/T 18314—2001[S].北京:中國標準出版社,2001:2-5.

[4]周立.GPS測量技術(shù)[M].鄭州:黃河水利出版社,2006:181-186.