VRS網絡RTK技術在打樁船海上打樁中的簡易應用

孫棟　丁琦　韓帥

摘 要：該文簡介了VRS系統(tǒng)的組成和原理，傳統(tǒng)RTK技術不足和基站維護不便以及針對海上打樁施工的特定局限，以工程實例就VRS網絡RTK技術在海上打樁中的簡易應用，從系統(tǒng)組成、軟硬件配置、實施效果評估等方面做簡單分析和介紹。該技術不架設基準站和電臺，初始化速度快，可靠性高，信號質量和精度滿足施工要求；避免了單基站RTK技術海上應用導致的自身局限，基站維護保養(yǎng)，氣象影響信號傳輸?shù)攘觿?；消除或明顯減少了ppm參數(shù)受海上環(huán)境的影響；適應性強，提高勞動生產率，降低生產成本。為今后如何更好的利用此項技術提供一點方法和借鑒，在海上打樁及其他施工應用前景廣闊。

關鍵詞：VRS 海上打樁 RTK GPS

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-0-04

RTK技術在水工行業(yè)中的成熟應用，使傳統(tǒng)的打樁施工定位方式脫離了對于光學儀器和氣象條件的依賴與限制，杭州灣跨海大橋等長距離離岸水域、外海大型項目樁基施工使打樁船施工范圍和施工效率都產生了革命性發(fā)展。中交一航局第二工程有限公司打樁18號在前灣小港池碼頭改建工程中采用高精度網絡RTK虛擬基準站VRS技術沉樁定位，該文就打樁船簡易應用，從系統(tǒng)介紹、硬件配置、信息獲取轉換，數(shù)據(jù)提供等方面做簡單分析和介紹，為今后更好利用這項技術及在水工施工中的特點和措施提供一點借鑒。

1 海上打樁應用VRS網絡RTK技術的組成和原理

1.1 VRS系統(tǒng)簡介

虛擬基準站VRS（Virtual Reference Stations）技術集網絡管理、無線通訊和GPS定位技術于一身，利用固定基準站數(shù)據(jù)對工作區(qū)域內誤差進行模型化處理，生成一個靠近測量位置的“虛擬基準站”，向流動站接收機修正信息。

1.2 VRS系統(tǒng)組成

VRS系統(tǒng)由固定基準站、系統(tǒng)控制中心、用戶部分、數(shù)據(jù)通信組成。

1.2.1 固定基準站

各固定基準站均勻分布在整個網絡中構成基準站網，一般一個完整的VRS網絡系統(tǒng)至少有3個已知的基準控制站，站與站之間的距離可達70km，通過長時間GPS靜態(tài)相對定位等方法來確定基準站的精確坐標，再通過配備在基準站上的GPS接收機和數(shù)據(jù)通信設備，實時的將觀測資料傳送給數(shù)據(jù)處理中心。

1.2.2 系統(tǒng)控制中心

是通訊控制和數(shù)據(jù)處理中心，也是系統(tǒng)核心，使用GPS-NET數(shù)據(jù)處理軟件。通過通訊線纜與固定基準站通訊，通過無線網絡移動用戶通訊。負責數(shù)據(jù)質量分析與評價，數(shù)據(jù)綜合、分流和存儲、差分改正數(shù)據(jù)的計算等數(shù)據(jù)處理，還負責系統(tǒng)監(jiān)控、信息服務和網絡管理。

1.2.3 用戶部分

用戶部分就是具備無線通訊用戶的接收機，配以船舶車輛等不同載體，通過無線網絡將自己初始位置發(fā)給控制中心，并接收中心的差分信號，生成厘米級的位置信息。

1.2.4 實時數(shù)據(jù)通信網絡

GPS流動站向運行GPS-NET的控制中心發(fā)送其概略位置，通過無線網絡鏈接發(fā)送標準的NEMA位置信息?？刂浦行慕邮沾诵畔⒉⑦M行誤差計算，重新向流動站發(fā)送改正過的RTCM信息。

1.3 VRS系統(tǒng)海上打樁工作原理

VRS 系統(tǒng)相當于在流動站附近建立一個距離流動站很近，一般僅有數(shù)米至數(shù)十米的虛擬的基準站，根據(jù)各基準站的實際觀測值計算出該虛擬基準站上的虛擬觀測值，用戶采用常規(guī)RTK技術進行實時相對定位，解決了RTK作業(yè)距離上的限制問題，并保證了用戶的精度。

具體工作原理如圖1所示，其步驟如下。

（1）VRS網絡中，各固定基準站不直接向移動用戶發(fā)送任何改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊線發(fā)給控制中心；

（2）打樁船工作前，首先通過GSM無線網絡制中心發(fā)送一個概略坐標；

（3）控制中心收到位置信息，由計算機自動選擇最佳的一組固定基準站，整體改正GPS的軌道誤差，電離層，對流層和大氣折射引起的誤差；

（4）控制中心將高精度的差分信號發(fā)給打樁船移動站。

（5）相當于在打樁船附近產生一個物理上不存在的基準站，構成短基線或超短基線差分，接收該基準站的差分信息進行定位。

2 傳統(tǒng)RTK技術局限性和基準站維護困難

2.1 RTK技術自身局限

打樁船沉樁定位通常采用1臺基準站配備2臺流動站的“1+2”RTK方式完成，使用技術比較成熟。但RTK技術有一定局限性，主要有用戶需要自行架設本地的基準站、誤差隨距離增長（ppm參數(shù)影響）、誤差增長使流動站和基準站距離受到限制（<15km）、可靠性和可行性隨距離降低等。

2.2 基準站維護困難，成本高

傳統(tǒng)RTK作業(yè)必須首先在施工區(qū)附近建立一個控制點，然后在該控制點上架設基準站，基準站的看管維護方面存在諸多不便，成本較高。

2.2.1 基準站看護保管問題

打樁船使用的基準站至少由1臺GPS接收機、1臺電臺和其他附件組成，儀器自身價值昂貴，施工中基準站位置選取如何兼顧保管和看護，是目前打樁船GPS應用中比較難以解決的問題。

2.2.2 基準站供電問題

（1）基準站在施工中保持常開狀態(tài)，施工現(xiàn)場臨時供電造成時常停電，影響施工嚴重，通過逆變電源外接蓄電池保證供電，保養(yǎng)不便。如采用內置電池供電只能達到3～4 h，需專人監(jiān)視操作且頻繁充電放電影響電池壽命，維護所需人工和費用大。

（2）施工現(xiàn)場電壓不穩(wěn)定，極易造成電壓波動燒毀主機、電臺主板。根據(jù)使用經驗，每船基準站配備穩(wěn)壓電源每年更換2～3臺，花費較大。

2.2.3基準站發(fā)射天線架設和防雷擊問題

（1）基準站與施工現(xiàn)場間的距離與差分信號發(fā)射天線架設高度成正比，距離越遠，架設高度越高。理想的傳送距離為：

（2）室外天線需接地或配備避雷裝置防雷擊，普通接地裝置無法保證避雷效果，一旦遭受雷擊會造成主機、電臺主板燒毀，因為維修機器導致停工和花費。加設一般避雷裝置影響發(fā)射效果，造成信號發(fā)送不穩(wěn)定，專用裝置則花費巨大。

2.3 打樁船應用RTK技術所產生的特定局限

2.3.1 作業(yè)模式老舊

RTK技術作業(yè)模式仍舊依靠逐級建立控制網點進行相關測量，準備施工的前期工作量很大，尤其是大型工程或者離岸距離很遠的工程，作業(yè)前期控制網的選點、測設、解算、架站等工作花費時間近1周、人力物力消耗大。

2.3.2 匹配性差

參與施工的各類型船舶，各道工序配備的接收機型號或電臺頻點不同，則導致各自RTK作業(yè)不能兼容，必須各自設置基準站，造成重復建設和信號影響，因自設立精度不同，在不同工序的銜接上誤差增大。

2.3.3 施工干擾大

為便于設備保管看護，各基準站的架設集中在項目辦公場地，距離很近，受高頻通訊、臨時發(fā)電機組、發(fā)射天線相近、功率大小等原因產生干擾、假鎖定、多路徑效應等影響精度的情況，極易在施工中造成錯誤。

3 VRS網絡RTK技術在打樁定位施工上的應用

3.1 方案確定

3.1.1確定主機信號傳輸接口

在采用常規(guī)RTK方式中，電臺差分信號接收方式有兩種：

（1）通過右下端接口接室外流動站天線電纜，通過內置電臺將無線電信號轉化為差分數(shù)據(jù)直接輸入主機；

（2）利用外置電臺先將室外無線電信號轉化為差分數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)線接到右上端3號lemo接口，將差分數(shù)據(jù)輸送入主機。

VRS系統(tǒng)中控制中心直接發(fā)送處理過的差分數(shù)據(jù)，采取方法（2）導入信號。

3.1.2確定簡易數(shù)據(jù)采集方案

（1）接3號接口的數(shù)據(jù)線編碼代號為32345（一端lemo接口，一端為串口），使用2條；

（2）數(shù)據(jù)轉換程序利用廠家網站下載的免費試運行軟件GNSS Internet Radio程序；

（3）利用筆記本電腦配備無線網卡實現(xiàn)無線通訊；

3.2 工藝要點和操作流程

3.2.1 外接信號采集設備接入系統(tǒng)

4 VRS技術實施效果

4.1 VRS技術實施效果

VRS系統(tǒng)經過實際應用有初始化速度快，標準偏差小，能夠在相當遠的距離上保證信號提供的高質量和高精確度，消除或明顯減少了誤差隨距離增長的ppm參數(shù)影響。免除設立基準站的步驟，避免了傳統(tǒng)基準站設置帶來的常規(guī)RTK技術自身局限、基準站維護保養(yǎng)、續(xù)航供電、惡劣天氣影響等劣勢。

4.1.1 精度大幅度提高

（1）VRS通過固定基準站的觀測數(shù)據(jù)通過連續(xù)傳送至VRS中央服務器并對其質量檢測，去除大的粗差并修正周跳，分析雙差觀測量來計算電離層誤差、對流層誤差和星歷誤差，系統(tǒng)誤差能被明顯剔除，能得到厘米級的精度。

4.1.2 可靠性大幅度提高。

4.1.3 使用經濟

4.1.4 初始化速度快

實際應用中對初始化時間統(tǒng)計，50%以上能夠在1.5 min內完成初始化，80%以上能夠在5 min內完成初始化。比傳統(tǒng)RTK方式初始化速度加快約三分之一。

4.2 實踐中的改進措施

4.2.1 網絡堵塞、掉線問題

打樁施工中出現(xiàn)開始觀測固定解情況良好，但使用未完成出現(xiàn)網路堵塞，掉線等問題。經過分析發(fā)現(xiàn)，其中有很大部分原因是因為系統(tǒng)“容錯”導致在重新運算過程中，數(shù)據(jù)量傳輸存在變動，不能使系統(tǒng)正常工作，產生堵塞、掉線。將筆記本電腦遠離主控臺，并防止電器干擾造成程序數(shù)據(jù)堵塞，問題得到較大改善。

4.2.2 初始化受部分時間段影響

中午前后在部分時間段衛(wèi)星顆數(shù)能夠達到觀測要求，但初始化時間長，甚至不能初始化，這是因為受電離層干擾比較大，且打樁施船受海水面、甲板面等大面積水體和金屬表面形成的反射多路徑的影響、樁架遮擋使接收衛(wèi)星信號的空間覆蓋面減小等原因使得數(shù)據(jù)鏈傳輸受干擾和限制，在傳輸過程中衰減嚴重。盡量選擇避開觀測質量差的時段施工。

4.2.3 高頻信號源干擾易造成無線網卡斷網掉線

船舶移動時，受到高頻信號源的干擾和大功率電機啟動時產生的磁場干擾等因素，無線網卡掉線頻繁。在操縱室和船舶指揮的崗位旁安裝與定位系統(tǒng)主機同步顯示的顯示器，最大限度減少高頻電話的干擾，掉線情況好轉很多。

4.2.4 串口連接線的制作必須保證屏蔽

在制作試驗用一分二串口線時，數(shù)據(jù)通信的質量不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂碼較多。經過線路排查，發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn)在自制一分二串口線接口處，簡單將進出電源、信號的引腳連接好，其他的屏蔽措施沒有做，導致經過主控臺較多電器過程中受到干擾影響信號傳輸，改進屏蔽后問題解決。

5 結語

VRS網絡技術的最大優(yōu)勢在于不必自身布網設站，作業(yè)時間不受限制，不必考慮控制網、基準站維護，實現(xiàn)全天候的可靠操作。經打樁實踐證明，VRS網絡RTK技術基本配置完全滿足水工工程測量的基本要求，并有諸多優(yōu)秀特點，同時也存在一些實際作業(yè)中的技術限制，我們采取針對性的適宜解決措施，提高工作效率，減少生產成本。這是國內首次將該技術應用在海上打樁施工中，對今后水工工程應用應用VRS技術起到實踐和總結作用，代表著GPS應用技術發(fā)展的方向。

參考文獻

[1] 王平.虛擬參考站—GPS網絡RTK技術[J].測繪通報，2001.

[2] 陳文通.VRS-GPS網絡RTK技術及其應用[J].福建建設科技，2006（1）：36-38.

[3] 竇思琪，管占楠.VRS實際作業(yè)中的優(yōu)劣[J].吉林省測繪學會2008年學術年會論文集（下），2008.

[4] 暢毅，張建恩，祁鈺.影響GPS-RTK作業(yè)質量的因素分析[J].測繪技術裝備，2007（2）：39-40.

[5] 楊濤，李平平.影響RTK電臺工作距離的因素[J].商品與質量：建筑與發(fā)展，2011（5）：240.