中国水利水电第四工程局有限公司 江苏 徐州 221214
摘要：中国进入高速铁路全面建设阶段，做为典型的线型工程，GPS RTK技术在高铁建设工程中广泛应用，但建立北斗多模地基增强系统在此类工程中却是第一次。该系统相对于原有单一GPS基站或GPS/GLONASS双星基站系统而言，解决了原有的软硬件设备及相关服务不能兼容国家正在推广的北斗导航定位系统，不能有效地为北斗接收机提供实时差分信息的问题，并解决了线状控制网区域基准和差分定位服务精度的问题，可满足各类工程测量和测绘工作的需求与常规（即单基准站）RTK相比，该方法的主要优点是覆盖面广、定位精度高、可靠性好，可实时提供厘米级定位。相比区域城市CORS系统，工程CORS具有定位精度、系统实时性和稳定性要求更高等特点。
关键词：北斗 多模地基 CORS 系统 高速铁路
1、引言
徐盐高速铁路连接国家交通枢纽徐州，与京沪铁路、陇海铁路及京沪高速铁路相连，是纵贯长三角腹地江苏中部、北部的重要干线通道。本标段位于江苏省北部，起点里程DK28+997，终点里程DK83+182，正线长度50.17km。
高速铁路工程一般由桥涵工程、路基工程及其它附属工程组成，各项单位工程体型结构复杂，设计标准高，测量精度要求高且工作强度大，为保证高速铁路工程施工质量满足设计参数及规范标准要求，确保高速铁路工程最终顺利贯通，有效提高工程施工效率并节约工程施工成本支出。以徐盐高速铁路为依托，建设徐盐高速铁路GNSS北斗地基增强测量定位系统网络（简称XSHYCORS），将尖端的GNSS北斗地基增强测量定位技术和传统的常规测量技术结合在一起，提供一整套外业数据采集、内业数据处理、数据管理的先进解决方案。
近年来，GNSS连续运行参考站系统GNSS (Continuously Operating Reference Stations,简称CORS)技术由于其全天候、高精度、方便快速等特点被广泛的应用到各类特大型工程建设中。与常规（即单基准站）RTK相比，该方法的主要优点是覆盖面广、定位精度高、可靠性好，可实时提供厘米级定位。相比区域城市CORS系统，工程CORS具有定位精度、系统实时性和稳定性要求更高等特点。但原有的CORS大多数都是双星基站系统，软硬件设备及相关服务不能兼容国家正在推广的北斗导航定位系统，不能有效地为北斗接收机提供实时差分信息的问题。
XSHYCORS系统在徐盐高速铁路施工测量中的研究及应用将为徐盐铁路工程顺利贯通及运营赢得宝贵的时间，从测量方面保障徐盐铁路工程高标准、高效率的完成施工任务。该系统相对于原有单一GPS基站或GPS/GLONASS双星基站系统而言，解决了原有的软硬件设备及相关服务不能兼容国家正在推广的北斗导航定位系统，不能有效地为北斗接收机提供实时差分信息的问题，并解决了线状控制网区域基准和差分定位服务精度的问题，可满足各类工程测量和测绘工作的需求。为今后我国铁路、公路、市政、城市地铁等工程的建设提供可借鉴的施工测量经验和方法。随着技术水平的发展和越来越多的超大型工程的建设，北斗多模地基增强系统的应用前景将更为广阔。
2、系统组成与总体结构
徐盐铁路GNSS北斗地基增强测量定位系统由3个连续运行的参考站、1个数据中心和1个监测站组成。3个参考站分别位于徐州市房村镇、睢宁制梁厂和睢宁县光华村，站间平均距离为21km。数据提供的GNSS差分信号可以覆盖整个标段的施工区域。
数据中心设置在徐州市房村镇，是XSHYCORS系统的核心单元，由计算机网络系统和软件系统等软硬件组成，与各参考站之间依靠光纤专线网络相连。数据中心机房组成独立的局域网，具备数据处理、运营管理和信息服务等功能。监测站与数据中心连接，通过监测软件实时显示监测站WGS-84坐标等信息。XSHYCORS系统选择最为稳定与高质量的通讯线路，以确保数据传输速率与稳定性。各参考站与数据中心全部采用专线连接，充分保证数据中心能快速、稳定地获得各参考站的数据信息。数据中心通过光纤专线连接Internet网络，使用固定IP向流动站用户提供GNSS差分信号数据。
XSHYCORS系统的设计按照严格的现代计算机网络的规范与标准。整个系统是以数据中心为中心节点的星型网络。数据中心建立在高速广域网上，网络采用TCP/IP协议；服务器操作系统采用Windows Server 2008 Professional，基准站采用基于LINUX系统设计的专业网络基准站接收机。系统架构简图见下图：
北斗多模XSHYCORS系统架构图
XSHYCOR系统由基准站网子系统、数据中心子系统、用户服务子系统、数据通讯子系统组成。
1、基准站网子系统（Reference Station Sub-System）简称RSS，基准站简称RS；
2、数据中心子系统（System Monitoring and Analysis Center）简称SMAC；
3、数据通讯子系统（Data Communication Sub-System）简称DCS；
4、用户服务子系统（User Application Sub-System）简称UAS。
如上定义，用户服务子系统是可以扩展的，在数据中心子系统中加入相应的服务计算，即可扩展出一种新的用户服务子系统，例如测绘行业的CORS系统、车辆导航的监控系统、灾害监测的形变监测监控等。
子系统的定义与功能如下表所示：
XSHYCOR系统性能设计的指标应达到的规定要求如下表：
3、建设实施
3.1 参考站选址与测试
（1）选址
经过多次现场反复踏勘、比选，三个参考站站址均视野开阔，附近无易产生多路径效应地物和强电磁场等，且地址条件良好，其中一个是基岩层点，剩下两个均在屋顶布设。
（2）建站前测试
CORS站址的观测环境是影响CORS系统整体性能的重要环节之一。因此，对拟选站址进行建站前的测试和分析，从而判断拟选址是否适合建站，是重要的一项准备工作。测试内容包括：整个区域无线电信号测试、沿途流动站Internet通讯和各个参考站址不少于24h静态数据测试。通过对实测数据分析得出，三个参考站GPS信号接收状况良好，满足建站要求。
3.2 北斗多模式地基增强系统的关键技术
北斗多模式地基增强系统包括: CORS基站、基站数据分流软件（ZNetStream）、基准站数据管理软件（ZNetCenter）、基础定位软件(ZNetVRS) 、综合服务平台系统（ZNetServer）平台、在线坐标转换软件。总体架构见下图：
ZNetVRS软件采用GNSS（包含了GPS、GLONASS和北斗导航等定位技术）地基增强测量定位技术，操作简单且具有超强的容错能力，适用于从单基准站、多基准站到中心基准站网络的各种应用，具有最大的普适性。ZNetVRS软件采用模块化设计，具有基准站参数设置与状态监控、网络RTK解算、数据文件分发、虚拟站RTK/DGPS数据播发、数据访问管理、用户帐号与收费管理、事件报警、坐标计算、数据回放等功能模块。而且，它还可以和其它软件，如HGO、ZNetSens、Zmonitor等实现无缝对接，满足变形监测、数据融合、数据质量控制、自动化批处理、坐标分析以及构建互联网GNSS数据自动处理、平差和坐标计算服务平台等各种高级应用需求。
3.3 北斗多模式地基增强系统的特点
（1）参考站无人值守，自动运行，年运行可靠率达95%以上。
（2）具备双电源管理能力。在断电（交流电）情况下，可依靠后备电源连续工作24小时以上；在供电故障恢复后，GNSS接收机必须能自动恢复到故障前的配置，不需要人为干预。
（3）在数据处理中心建成后，开通网络RTK等实时服务功能时应达到可实时传输基准站观测数据，并与控制中心实现双向通信的能力。同时支持提供RTD服务给手持机进行亚米级的测量采集以及提供全年365天，每天24小时的全网静态数据服务。
（4）具备系统设备完好性检测功能，系统自动对设备进行自检，出现问题时具有远程报警能力。
（5）支持数据中心以远程方式对基准站进行设定、控制和检测。设定包括：接收机参数、气象仪器参数；控制包括：接收机启动与关闭、接收机参数的修改、数据传输控制；检测包括：接收机状态、电源状态。
（6）具有网络功能，具备高速TCP/IP网络接口，可以设置独立IP地址---包括Web图形用户界面进入，FTP传输等；支持数据中心以远程方式对基准站进行设定、控制和检测。设定包括：接收机参数；控制包括：接收机启动与关闭、接收机网络断开与连接、接收机参数的修改、数据传输控制；检测包括：接收机状态、电源状态。
（7）提供系统与北京54、国家80、CGCS2000坐标以及当地的全网转换参数及坐标转换服务。
（8）具有良好的用户访问控制、权限管理的功能。
（9）支持分布式结构设计，并具有良好的可扩展性、可升级性。根据需要可扩展建多个数据中心。
4、建设北斗多模地基增强系统高铁示范应用
本项目建设一套示范性高铁施工工程线状北斗多模CORS示范系统（多模式地基增强系统在公路、铁路等线状工程的示范性系统），并开展示范项目应用示范。该系统相对于原有单一GPS基站或GPS/GLONASS双星基站系统而言，解决原有的软硬件设备及相关服务不能兼容国家正在推广的北斗导航定位系统，不能有效地为北斗接收机提供实时差分信息的问题，并解决了线状控制网区域基准和差分定位服务精度的问题，可满足各类工程测量和测绘工作的需求。可以使测量外业工作自动化程度显著提高、测量外业工作效率明显增加，减少施工测量过程中的人为手工操作，实现全天候作业，省去传统GPS-RTK测量需要架设基站的时间，并且保证定位信号的有效覆盖区域内测量精度不损失。为以后此类工程的多模CORS系统建设提供宝贵的经验。
5、结论
（1）徐盐铁路GNSS北斗地基增强测量定位系统（XSHYCORS）采用目前世界上先进的GNSS参考站设备和系统软件，设计方案合理，设备先进，具备完善的安全设施，系统运行稳定可靠，支持三星系统，系统服务范围完全覆盖徐盐铁路Ⅱ标段施工区域。
（2）基于GNSS地基增强测量定位技术，研发兼容北斗导航定位系统的多模式地面基站增强系统，基于该系统建设一套示范性高铁施工工程线状北斗多模CORS系统，提供一整套内/外业数据采集、处理和管理先进解决方案。
（3）建立了工程区域高精度的高程大地水准面模型，提高了系统实时定位的高程精度，网络RTK定位精度：平面优于±8mm，高程优于±10mm，实现了设计目标，满足了徐盐铁路施工测量的高精度目标，并符合建设要求。
（4）传统RTK需要架设基站，现场重复设置各种参数，操作时间长，并需专人值守，作业范围小，测量距离远精度损失严重。而基于VRS的徐盐铁路GNSS北斗地基增强测量定位系统（XSHYCORS）可以实时测量、作业范围广、无需架设基站、只需设置一次参数、野外单机作业、受环境干扰小、并可以接收北斗和GPS等多种卫星信号。有效的提高施工测量精度、测量质量及测量工作效率；更好地控制铁路各构筑物设计参数，保证高速铁路工程施工质量满足设计及规范要求的同时节约工程施工成本，提高测量工作效率确保工程施工工期。XSHYCORS系统在理论研究和工程应用上都具有十分重要的意义。
（5）本系统还具有较强的可扩展性和兼容性，可应用于后期运营期间的桥梁、路基监测工作。
基于VRS的徐宿淮盐铁路GNSS北斗地基增强测量定位系统（XSHYCORS）可以实时测量、作业范围广、无需架设基站、只需设置一次参数、野外单机作业、受环境干扰小、并可以接收北斗和GPS等多种卫星信号。有效的提高施工测量精度、测量质量及测量工作效率；更好地控制铁路各构筑物设计参数，保证高速铁路工程施工质量满足设计及规范要求的同时节约工程施工成本，提高测量工作效率确保工程施工工期。也为以后此类工程的多模CORS系统建设提供宝贵的经验。
论文作者:宋胜登1,李发军2,于旭阳3,胡汉卿4
论文发表刊物:《防护工程》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/11
标签：系统论文; 北斗论文; 测量论文; 地基论文; 接收机论文; 基准论文; 基站论文; 《防护工程》2017年第19期论文;