港珠澳大桥gsns连续运行参考站系统的技术路线

港珠澳大桥gsns连续运行参考站系统的技术路线

澳门珠澳大桥横跨海洋（超过30公里），规模巨大，包括桥梁、隧道、人工岛等工程类型，精度要求高。它被划分为许多参考区域，并参与其中。与杭州湾大桥和东海大桥等修建的海海桥相比，港口珠澳大桥的测量和技术难度更大。因此,必须建立一个全桥统一的、精确的施工测量控制基准,并在大桥建设过程中保持稳定,为确保工程施工质量提供持续可靠的测量技术支持。港珠澳大桥工程测量基准包括三维空间基准、二维平面基准和高程基准,由首级控制网、GNSS连续运行参考站系统(Hongkong-Zhuhai-MacaoBridgeContinuousOperationalReferenceSystem,简称HZMB-CORS)以及在首级控制网基础上逐级建立的首级加密网和一、二级施工加密网组成。1港珠澳大桥分级控制网技术成果首级控制网是特大型跨海桥隧工程控制网体系中最高等级的控制网,也是测量基准的基础控制网。港珠澳大桥首级控制网于2008年9月至2009年2月间完成测设,并先后于2009年6月、2010年3月和2011年3月完成三次复测,总共完成了四期测量。第三次复测是主体工程正式开工前的一次全面复测,其复测成果直接用于主体工程勘察设计及岛隧工程施工。第三次复测与HZMB-CORS参考站网并网观测,设计并建立了港珠澳大桥工程坐标系,兼具首级控制网复测、参考站网联测及工程坐标基准建立等多重功能和任务。各期复测成果的比较分析表明:港珠澳大桥首级控制网的测量精度高、控制点稳定性良好,符合相关规范的规定,完全满足本工程施工的需要。港珠澳大桥首级控制网集成了GNSS卫星定位、精密水准测量、高精度跨江(海)三角高程测量、现代重力场、精化大地水准面及工程坐标系等测绘及相关学科的先进技术和方法,是长距离跨海桥隧工程精密控制网的典型范例。首级控制网的主要技术成果如下:1)首级平面控制网由14个首级GPS控制点和3个GNSS连续运行参考站构成,按国家B级GPS网精度施测,获得了高精度的坐标成果,统一了港、珠、澳三地的坐标基准。2)首级高程控制网由59个一等水准点和52个二等水准点构成,一等水准路线总长约260km,二等水准路线总长约100km,实施了多处跨江(海)高程传递测量,获得了高精度的高程成果,统一了港、珠、澳三地的高程基准。3)设计和建立了满足主体工程建设要求的港珠澳大桥工程坐标系(包括桥梁工程坐标系和隧道工程坐标系),研究和确立了工程坐标系与WGS-84坐标系、1954年北京坐标系、1983年珠海坐标系、香港1980方格网及澳门坐标系之间精确的坐标转换模型。4)依据最新的地球重力场理论和方法,建立了高精度的港珠澳大桥工程区域局部重力似大地水准面,与GPS水准联合求解后,获得了高精度的似大地水准面成果。5)通过多期测量,验证了控制网精度及其可靠性,制定了控制网复测及稳定性分析的技术标准。2主要关键技术成果港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统是我国首个独立的基于VRS的工程CORS。该系统于2010年3月开工建设,11月通过验收并投入正式使用。与国内其他CORS相比,HZMB-CORS具有如下主要特点:①定位精度要求高;②跨境协调难度大。HZMB-CORS跨越香港、珠海、澳门两岸三地,是一个跨境CORS,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协调和技术难题;③系统稳定性和可靠性要求高。不同于国家或区域CORS,本系统必须提供24h连续不间断的高精度的实时差分定位服务;④卫星定位环境不利于提高系统定位精度。工程区域内电离层十分活跃,山峦起伏、高差大,植被覆盖率高,海面水域宽阔,施工中信号干扰较大,这些都是导致对流层延迟、电离层延迟、多路径效应、通讯干扰等各类卫星定位误差影响的突出因素,必然会制约和限制CORS系统定位精度的提高。为此测控中心有针对地研究和解决了一系列关键技术问题,实现了系统的建设目标。系统建设期间取得的主要关键技术成果如下:1)系统设计合理,使用了先进的仪器设备和参考站网系统软件,其性能稳定、可靠。网络RTK定位精度:平面优于±2cm,高程优于±3cm。2)采用高精度GPS数据处理软件,优化数据处理方法,应用精化大地水准面模型,有效地提高了系统实时定位的高程精度。3)建立了系统监测站,研发了专门的系统监测软件,实现了对系统精度和可靠性的实时监控。4)系统具有数据自动采集和传输、远程监控和报警等自动化功能,系统的数据安全性能良好。5)建立了基于HZMB-CORS参考站的工程坐标基准,确定了WGS-84坐标系到1954年北京坐标系、桥梁工程坐标系和隧道工程坐标系的实时定位坐标转换参数。在正式运行的一年多时间里,HZMB-CORS系统运行情况良好,其主要功能及性能符合设计要求。但由于工程所处地理位置的特殊性,导致在使用该系统进行工程定位时出现了一些新的问题,如海上通讯网络信号不连续、电离层影响严重、GPS系统信号异常、无线电信号干扰等原因造成海上施工定位不能连续进行。为此,测控中心在参建各方的支持和协助下,通过调研、分析、系统调试和测试,有针对性地提出了解决方案和技术措施,并取得了较好的技术效果。3工程独立坐标系港珠澳大桥工程呈近似东西走向、占线长、经度跨越范围大、工程路面高程变化大(约-41.7~56.0m),且由于桥梁和隧道的平均高程面差距较大、沉管隧道施工对测量定位的精度要求高,国家或地方坐标系在工程区域内存在较大的投影长度变形,不能满足主体工程施工的精度要求。为此,在首级控制网第三次复测及HZMB-CORS参考站网首次联测时,测控中心设计并建立了投影变形满足施工需要的基于CORS框架的工程独立坐标系,即港珠澳大桥工程坐标系,包括桥梁工程坐标系(BCS2010)和隧道工程坐标系(TCS2010)。港珠澳大桥工程坐标系采用高程抵偿面的任意带高斯正形投影方法,目的是最大限度地减小坐标投影的长度变形。然而,由于全桥中线处在不同的经度位置,中线各处的桥面高程也不一样,因此,按统一的中央子午线和平均高程面设计的工程坐标系,不可能完全消除投影变形对工程施工的影响,只能使该项影响降至最低。主体工程不同工程区段、不同工程部位的投影长度综合变形残余值的变化情况如图1所示。由图1可知,桥梁段的投影长度变形值综合影响在-4~5mm内;隧道段的投影长度变形值综合影响在-3~3mm内。因此,最大长度变形均于小于5mm/km,满足本工程精确施工的精度要求。港珠澳大桥主体工程建设中涉及多种测量坐标系,勘察设计和施工中需要进行各种坐标系之间的转换计算,可归结为三维坐标转换和二维坐标转换两大类,主要包括工程坐标系与WGS-84坐标系、1954年北京坐标系、香港1980方格网和澳门坐标系等坐标系之间的转换。通过分析计算,建立了各种坐标系之间精确的转换模型,供各参建单位使用。4跨海高程横向贯通测量的施工技术首级控制网通过香港至珠海间陆地绕行一等水准连测,实现了两岸陆地高程的精确贯通,统一了大桥两岸三地的高程基准,但由于主体工程全部位于海中,且海底隧道及海中桥梁等结构物的高程定位精度要求高,如何将陆地高程基准精确传递到海中,以实现海中结构物高程的精确测定,仍然是本项目测量控制中最大的技术难题之一。在目前技术水平和海上测量条件下,解决海中高程精确定位的总体思路是:根据施工实际情况、精度需求及海上测量条件,综合运用传统跨河水准测量、GNSS和精化大地水准面等方法和技术,分阶段、按精度等级由低至高逐步实施跨海高程传递,以满足不同精度要求的结构物施工的需要,逐步实现主体工程的高程精确贯通及其与香港侧工程、珠澳口岸人工岛工程的精确对接。大致按三阶段实施:第一阶段,以首级控制网为基础,综合运用重力测量和GPS水准测量成果,建立工程区域内的局部精化大地水准面模型,加载到HZMB-CORS中,为工程勘察、地形测绘及人工岛筑岛施工等提供优于±5cm精度的RTK定位服务。第二阶段,利用海中试桩工程建立测量平台(计划6个,已建成5个),将海上高程控制点间距缩短至4~6km。采用传统的三角高程测量方法,将首级控制网高程基准按二等精度传递到海上测量平台,优化局部似大地水准面模型,进一步提高海上RTK定位精度,为海上桥梁、隧道基础施工提供优于±3cm甚至更高精度的定位服务。第三阶段,对于岛隧工程,在东人工岛岛上隧道段施工之前完成东、西人工岛测量平台之间的高程贯通测量;对于桥梁工程,在测量平台之间优先施工7个桥墩(简称“优先墩”),并在这些优先墩上设立控制点、连测高程,进一步将海中测量控制点的间距缩短至2km左右,为桥梁工程采用常规测量技术进行精确施工提供高精度的高程基准。在第二阶段中,利用测量平台建立GNSS临时参考站,供施工用户使用电台单基站定位,可在网络RTK不连续或不可用时作为辅助方式使用。全部6个平台建成后,即可进行全桥高程的首次贯通测量;在第三阶段完成优先墩施工后,进行第二次高程贯通;全部桥墩竣工后,组织实施第三次贯通测量,作为桥墩支座安装及梁体架设的高程基准。施工过程中,还应根据需要增加局部区段的高程贯通(衔接)测量。5港珠澳大桥测量基准在海上施工应用中面临的挑战测控中心在基准建设过程中,最大可