GPS測(cè)量在南方山地施工中的幾項(xiàng)問(wèn)題分析

吳鴻斌

(湘潭市第五物探大隊(duì),湖南湘潭 411104)

GPS測(cè)量在南方山地施工中的幾項(xiàng)問(wèn)題分析

吳鴻斌

(湘潭市第五物探大隊(duì),湖南湘潭 411104)

介紹 GPS測(cè)量在南方山地施工中的幾項(xiàng)問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題分析 GPS RTK的作業(yè)機(jī)理,探討在南方山地施工中影響RTK測(cè)量的制約因素,并得出一些有益的結(jié)論。

RTK;整周模糊度;數(shù)據(jù)鏈;生產(chǎn)組織

一、引 言

RTK(real time kinematic)定位是將一臺(tái) GPS接收機(jī)安裝在已知點(diǎn)上對(duì) GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè),將采集的載波相位觀測(cè)量調(diào)制到基準(zhǔn)站電臺(tái)的載波上,再通過(guò)基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)射出去;流動(dòng)站在對(duì) GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)并采集載波相位觀測(cè)量的同時(shí),也通過(guò)流動(dòng)站電臺(tái)接收由基準(zhǔn)站電臺(tái)發(fā)射的信號(hào),經(jīng)解調(diào)得到基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)量;流動(dòng)站的 GPS接收機(jī)再利用OTF(運(yùn)動(dòng)中求解整周模糊度)等技術(shù)由基準(zhǔn)站的載波相位觀測(cè)量和流動(dòng)站的載波相位觀測(cè)量來(lái)求解整周模糊度,最后求出流動(dòng)站的位置。RTK可以應(yīng)用于控制、放樣、測(cè)圖等工作,已涵蓋大地測(cè)量、石油勘探測(cè)量、地形測(cè)量、地籍測(cè)量、航空攝影測(cè)量、GIS、設(shè)備控制、變形監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水上測(cè)量、環(huán)境應(yīng)用等領(lǐng)域。RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。在南方山地施工中影響 RTK測(cè)量的制約因素主要有三個(gè)方面：①求解起始的整周模糊度(初始化);②基準(zhǔn)站與流動(dòng)站間的數(shù)據(jù)傳輸;③合適的測(cè)量生產(chǎn)組織。筆者結(jié)合貴州黔中山地石油勘探測(cè)量作業(yè)對(duì)這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行初步的分析。

二、整周模糊度的確定

整周模糊度的確定,通俗的說(shuō)法就是 RTK定位初始化,RTK一般采用星站差分觀測(cè)值 (即雙差),其觀測(cè)方程為

式中,ΔΔ為雙差因子。式 (1)模型采用差分的方式可以抵消星間誤差、站間鐘差,是 RTK主要的算法。目前應(yīng)用最多的為OTF算法,它是在流動(dòng)站近似坐標(biāo)和協(xié)方差的基礎(chǔ)上確定整周模糊度的搜索空間,在此空間內(nèi)計(jì)算所有的可能模糊度解,然后通過(guò)比較最小方差選擇最優(yōu)解和次優(yōu)解,最后確定整周模糊度。它能在 1 s內(nèi)確定模糊度,對(duì)于失鎖后再次鎖定的問(wèn)題處理將更快。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,要確定整周模糊度,必須有適合的 PDOP值。筆者在 2006年度的黔中二維項(xiàng)目中,利用Ashtech Z-X GPS進(jìn)行RTK作業(yè)時(shí),就遇到下面的情況：設(shè)備捕獲衛(wèi)星數(shù)目雖然較多,但信噪比低?；鶞?zhǔn)站與流動(dòng)站均成功捕獲 6顆以上衛(wèi)星,無(wú)線電接收良好,但初始化時(shí)間較長(zhǎng)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),雖然有 6顆以上衛(wèi)星,但有的衛(wèi)星高度角低,且極不穩(wěn)定,另外還有地形起伏大等不利因素,無(wú)線電信號(hào)容易失鎖。經(jīng)過(guò)多年野外實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),PDOP值越小,解算模糊度的速度就越快,精度就越可靠。

三、數(shù)據(jù)鏈通信傳輸

1.RTK數(shù)據(jù)傳輸采用 UHF波

RTK采用超短波進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送。這個(gè)波段主要是超高頻UHF與甚高頻VHF波。UHF波長(zhǎng)為 1～0.1 m,通常稱為“分米波”。VHF波長(zhǎng)為10～1m,通常稱為“米波”。這兩個(gè)波段廣泛用于電視、調(diào)頻廣播、移動(dòng)電話、傳呼機(jī)、股票信息機(jī)、微波通信和雷達(dá)等設(shè)備,信道極為擁擠。這一波段的傳播方式,主要是直線傳播。當(dāng)前的 RTK通信主要采用UHF波。Trimble5700 GPS的頻段范圍為 410～420MHz,共占有10MHz的頻帶;DSNP GPS的頻段范圍規(guī)定為 400～470MHz,共占有 70MHz的頻帶。頻寬意味著信息容量大,應(yīng)用更廣泛。UHF的波長(zhǎng)短,因此UHF天線長(zhǎng)度比VHF天線更短,發(fā)射機(jī)天線更便于安裝,小巧的天線便于野外作業(yè)。

2.RTK傳輸?shù)木嚯x

由于采用UHF波,傳播的方式主要是空間波,即直射波、折射波、散射波以及它們的合成波。其穿透性強(qiáng),直線傳播性強(qiáng),但易受障礙物、地形和地球曲率的影響。當(dāng)使用 9 600 bit/s來(lái)傳送數(shù)據(jù)時(shí),每發(fā)送一組數(shù)據(jù) (假設(shè)有 8顆衛(wèi)星時(shí))要占用0.7 s左右時(shí)間(發(fā)射時(shí)間會(huì)隨衛(wèi)星的多少而變化),因此基準(zhǔn)站一般每秒傳送一組 RTK改正數(shù)據(jù)。理想的傳送距離為

式中,h1和 h2分別是基準(zhǔn)站和流動(dòng)站電臺(tái)的天線高,單位為 m;D為數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍的半徑,單位為 km。當(dāng)然這是在無(wú)障礙物遮擋和無(wú)電波干擾的理想條件下的覆蓋范圍,實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)有較大的出入。

3.RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)母倪M(jìn)

在 RTK情況下,復(fù)雜、惡劣的傳播條件是數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣?這是由在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行無(wú)線通信這一方式本身所決定的。要在這樣的傳播條件下保持可以接受的傳輸質(zhì)量,就必須采用各種技術(shù)措施來(lái)抵消衰落的不利影響?？傊?最佳通信系統(tǒng) =最佳發(fā)射機(jī) +最佳接收機(jī) +最佳通信路徑,研究 RTK數(shù)據(jù)鏈的性能必須三者綜合考慮,才能將 RTK數(shù)據(jù)傳輸性能設(shè)置到最佳狀態(tài)。為了增強(qiáng)通信能力,進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí),可采取下列解決辦法：

1)把RTK的基準(zhǔn)站布設(shè)在RTK有效測(cè)區(qū)中央最高的控制點(diǎn)上;

2)提高基準(zhǔn)站和流動(dòng)站天線的架設(shè)高度;

3)使用高增益天線及高靈敏度接收機(jī)。

由于山地施工的地形起伏較大,同時(shí)許多地方樹林密集,灌木叢生,陡崖峭壁眾多,而 GPS數(shù)據(jù)的傳輸主要是直線傳播,易受障礙物、地形和地球曲率的影響,在以上三項(xiàng)條件相同的情況下,最主要改進(jìn) RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓k法如下：

1)縮短各點(diǎn)到基準(zhǔn)站的距離,使其能滿足“電磁波通視”,當(dāng)基準(zhǔn)站與流動(dòng)站距離較遠(yuǎn)時(shí),基準(zhǔn)站必須搬遷。在山地施工中,信號(hào)的衰減較快,各種干擾因素多。例如各家通信公司的信號(hào)塔,高壓電線產(chǎn)生的電流磁場(chǎng),大面積水域產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)等,都是 GPS RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕蓴_源。因而,在南方山地施工中,基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的距離是越短越好。但是,在山地中每次搬遷基準(zhǔn)站都需較長(zhǎng)時(shí)間,在長(zhǎng)期的生產(chǎn)作業(yè)中得出的結(jié)論是基準(zhǔn)站每天只能搬遷一次,即在晚上收工時(shí)進(jìn)行。如果基準(zhǔn)站需要一天搬遷兩次,將大大占用流動(dòng)站的作業(yè)時(shí)間,最終的結(jié)果將是大大提高生產(chǎn)成本。

2)架設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站的方法。比如用一個(gè)基準(zhǔn)站控制 8個(gè)流動(dòng)站,一個(gè)流動(dòng)站需完成 2 km的工作量,這就需要一個(gè)基準(zhǔn)站架在中間的情況下,單邊也需控制8 km的信號(hào)。這對(duì)一個(gè)基準(zhǔn)站(指在南方山地施工中)來(lái)說(shuō)是很困難控制的;但在同樣工作量的地方架設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)站,那么一個(gè)基準(zhǔn)站只需控制 4 km的信號(hào),大大縮短了基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的距離,這種方法的好處是顯而易見(jiàn)的。但是這種方法成本高,無(wú)論是設(shè)備成本還是生產(chǎn)成本都較高。架設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站需多個(gè) GPS控制點(diǎn),加重了測(cè)量前期施工的工作量,而且需安排多人架設(shè)基準(zhǔn)站。

3)架設(shè)中繼站的方法。在地形、地物遮擋時(shí),另增設(shè)中繼站。中繼站的主要功能就是減緩基準(zhǔn)站信號(hào)的衰減,延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。此方法在南方山地 RTK測(cè)量中是應(yīng)用最廣的,不僅成本低、操作簡(jiǎn)單,而且靈活方便。

四、測(cè)量施工的生產(chǎn)組織

南方山地測(cè)量施工有許多自身的特殊性,這主要取決于南方山區(qū)的地理、地形、氣候、人文、民俗、交通等因素。測(cè)量作為地震分隊(duì)的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立作業(yè)班組,也具有自身的特殊性,不管是從野外實(shí)地資料采集到內(nèi)業(yè)資料處理,還是到質(zhì)量控制等,都要求有一套較為完整的作業(yè)程序。經(jīng)過(guò) 2006年黔中二維施工遇到的問(wèn)題,筆者認(rèn)為制約山地測(cè)量生產(chǎn)進(jìn)度的最主要的幾個(gè)因素如下：

1.與地震隊(duì)溝通

正如上述,測(cè)量在地震分隊(duì)中是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的作業(yè)班組,這也就要求測(cè)量與地震分隊(duì)的溝通顯得尤為重要,測(cè)量作業(yè)時(shí)一般都在最前面,在野外作業(yè)時(shí)遇到的各種問(wèn)題也是最先體驗(yàn),這就要求測(cè)量的組織者要及時(shí)取得與地震分隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)系,反映生產(chǎn)中遇到的困難和問(wèn)題,取得地震分隊(duì)的支持,為地震分隊(duì)的后續(xù)生產(chǎn)排憂解難。反之,也要求地震分隊(duì)要及時(shí)下達(dá)各種生產(chǎn)指示。

2.日常施工任務(wù)的安排

在 2006年貴州黔中二維施工中,發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)工作任務(wù)安排不合理的情況,從而導(dǎo)致影響生產(chǎn)進(jìn)度的情況發(fā)生。在山地測(cè)量施工中,每個(gè)小組一般情況下可完成 3 km的工作量,但是在地形復(fù)雜地區(qū),完成 1 km的工作量就是很好的結(jié)果了,甚至是幾百米;而且所用的 GPS儀器又是 2002年采購(gòu)的,老化情況較為嚴(yán)重,能控制的數(shù)據(jù)傳輸距離也大大縮短了,這就要求任務(wù)的安排更趨于合理。在施工中另一個(gè)突出的問(wèn)題就是中繼站的調(diào)度問(wèn)題,GPS測(cè)量在山地施工中是一個(gè)整體配合作業(yè)的過(guò)程,也就要求野外組織者能及時(shí)靈活地調(diào)度中繼站,順利地完成當(dāng)天工作。

3.測(cè)量補(bǔ)點(diǎn)

由于山地條件的復(fù)雜性,進(jìn)而引起測(cè)量作業(yè)小組放樣炮點(diǎn)的不合理因素也增多,其中炮點(diǎn)與障礙物的安全距離是山地測(cè)量放樣最困惑的事情,特別是在地震隊(duì)沒(méi)有下達(dá)明確指示時(shí)最為困難。例如炮點(diǎn)距離房屋 50 m的情況下,該不該放樣的問(wèn)題,如果沒(méi)有明確指示下,作業(yè)小組一般都會(huì)將其變觀到 100m開外的安全距離地方。這樣又導(dǎo)致了另一個(gè)問(wèn)題,就是炮點(diǎn)變觀過(guò)多,部分地區(qū)的面元疊次不夠,影響地震資料,從而地震隊(duì)要求測(cè)量補(bǔ)點(diǎn)。當(dāng)然還有其他很多原因,如井班鉆井時(shí)的移位、以炮補(bǔ)道等都會(huì)引起測(cè)量補(bǔ)點(diǎn)。

要避免在山地施工中的測(cè)量補(bǔ)點(diǎn)問(wèn)題是很困難的,但可以采取一些措施來(lái)盡量減少補(bǔ)點(diǎn)。

五、GPS測(cè)量在南方山地施工中應(yīng)注意的問(wèn)題和對(duì)策

1)由于 RTK測(cè)量精度受衛(wèi)星分布精度因子和數(shù)據(jù)鏈性能的影響,而且各個(gè)觀測(cè)值都是獨(dú)立觀測(cè)的,所以正式測(cè)量前必須聯(lián)測(cè)其他已知點(diǎn),對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,以判斷參考站和流動(dòng)站各參數(shù)設(shè)置是否正確以及數(shù)據(jù)鏈通信是否正常,確保觀測(cè)成果的可靠性。

2)衛(wèi)星信號(hào)傳輸在白天受電離層影響比較大,加之有時(shí)共用衛(wèi)星數(shù)少,接收不到 5顆衛(wèi)星,因而可能會(huì)出現(xiàn)初始化時(shí)間長(zhǎng),甚至不能初始化,以至無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的現(xiàn)象,所以使用 GPS RTK測(cè)量作業(yè)的時(shí)間應(yīng)盡量避開中午這個(gè)時(shí)間段。

3)RTK數(shù)據(jù)傳輸鏈路容易受障礙物如山峰、丘陵的影響,解決這類問(wèn)題,一是把基準(zhǔn)站架設(shè)在測(cè)區(qū)中央的高點(diǎn),如果實(shí)在沒(méi)有高點(diǎn),可考慮搬站,將基準(zhǔn)站搬到適時(shí)差分的有效作業(yè)范圍內(nèi);二是流動(dòng)站利用加長(zhǎng)桿把天線升高,增加接收信號(hào)強(qiáng)度,并及時(shí)充電避免電臺(tái)由于電量不足導(dǎo)致性能下降。

4)在控制點(diǎn)稀少或不容易到達(dá)的地方,為方便對(duì) RTK測(cè)量成果進(jìn)行檢核和避免出現(xiàn)作業(yè)盲點(diǎn),應(yīng)在測(cè)區(qū)內(nèi)環(huán)境不良的地方增設(shè)一些控制點(diǎn)。

5)加強(qiáng)與地震隊(duì)的溝通和聯(lián)系,同時(shí)加強(qiáng)自身素質(zhì)的培訓(xùn),通過(guò)多種途徑了解相關(guān)地震方面的知識(shí)和技術(shù)要求。

六、結(jié)束語(yǔ)

GPS RTK技術(shù)的使用,使得石油地震勘探中測(cè)量工作的生產(chǎn)方式與方法相對(duì)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式發(fā)生了根本性的變革,極大地促進(jìn)了地震勘探行業(yè)測(cè)量工作技術(shù)的進(jìn)步。在實(shí)際工作中應(yīng)注意克服不利因素,揚(yáng)長(zhǎng)避短,因地制宜,制訂合理的作業(yè)方案,以達(dá)到事半功倍的效果。

[1] 張勤,李家權(quán).全球定位系統(tǒng) (GPS)測(cè)量原理及其數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)[M].西安：西安地圖出版社,2001.

On Some Issues of GPS Survey in Southern M ounta in Area

WU Hongbin

0494-0911(2010)08-0042-03

P228.4

B

2010-05-10

吳鴻斌(1976—),男,湖南桂陽(yáng)人,工程師,主要從事石油物探工作。