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(shù)不足和基站維護(hù)不便以及針對海上打樁施工的特定局限，以工程實(shí)例就VRS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在海上打樁中的簡易應(yīng)用，從系統(tǒng)組成、軟硬件配置、實(shí)施效果評估等方面做簡單分析和介紹。該技術(shù)不架設(shè)基準(zhǔn)站和電臺，初始化速度快，可靠性高，信號質(zhì)量和精度滿足施工要求；避免了單基站RTK技術(shù)海上應(yīng)用導(dǎo)致的自身局限，基站維護(hù)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(yīng)性強(qiáng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。為今后如何更好的利用此項(xiàng)技術(shù)提供一點(diǎn)方法和借鑒，在海上打樁及其他施工應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：VRS 海上打樁 RTK GPS

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

RTK技術(shù)在水工行業(yè)中的成熟應(yīng)用，使傳統(tǒng)的打樁施工定位方式脫離了對于光學(xué)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(xiàng)目樁基施工使打樁船施工范圍和施工效率都產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)RTK虛擬基準(zhǔn)站VRS技術(shù)沉樁定位，該文就打樁船簡易應(yīng)用，從系統(tǒng)介紹、硬件配置、信息獲取轉(zhuǎn)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(xiàng)技術(shù)及在水工施工中的特點(diǎn)和措施提供一點(diǎn)借鑒。

1 海上打樁應(yīng)用VRS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的組成和原理

1.1 VRS系統(tǒng)簡介

虛擬基準(zhǔn)站VRS（Virtual Reference Stations）技術(shù)集網(wǎng)絡(luò)管理、無線通訊和GPS定位技術(shù)于一身，利用固定基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)對工作區(qū)域內(nèi)誤差進(jìn)行模型化處理，生成一個(gè)靠近測量位置的“虛擬基準(zhǔn)站”，向流動(dòng)站接收機(jī)修正信息。

1.2 VRS系統(tǒng)組成

VRS系統(tǒng)由固定基準(zhǔn)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(zhǔn)站

各固定基準(zhǔn)站均勻分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)，一般一個(gè)完整的VRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至少有3個(gè)已知的基準(zhǔn)控制站，站與站之間的距離可達(dá)70km，通過長時(shí)間GPS靜態(tài)相對定位等方法來確定基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，再通過配備在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備，實(shí)時(shí)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(zhǔn)站通訊，通過無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)用戶通訊。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評價(jià)，數(shù)據(jù)綜合、分流和存儲、差分改正數(shù)據(jù)的計(jì)算等數(shù)據(jù)處理，還負(fù)責(zé)系統(tǒng)監(jiān)控、信息服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)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(jī)，配以船舶車輛等不同載體，通過無線網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

GPS流動(dòng)站向運(yùn)行GPS-NET的控制中心發(fā)送其概略位置，通過無線網(wǎng)絡(luò)鏈接發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的NEMA位置信息。控制中心接收此信息并進(jìn)行誤差計(jì)算，重新向流動(dòng)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(dāng)于在流動(dòng)站附近建立一個(gè)距離流動(dòng)站很近，一般僅有數(shù)米至數(shù)十米的虛擬的基準(zhǔn)站，根據(jù)各基準(zhǔn)站的實(shí)際觀測值計(jì)算出該虛擬基準(zhǔn)站上的虛擬觀測值，用戶采用常規(guī)RTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(wǎng)絡(luò)中，各固定基準(zhǔn)站不直接向移動(dòng)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(wǎng)絡(luò)制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)；

（3）控制中心收到位置信息，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇最佳的一組固定基準(zhǔn)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(dòng)站。

（5）相當(dāng)于在打樁船附近產(chǎn)生一個(gè)物理上不存在的基準(zhǔn)站，構(gòu)成短基線或超短基線差分，接收該基準(zhǔn)站的差分信息進(jìn)行定位。

2 傳統(tǒng)RTK技術(shù)局限性和基準(zhǔn)站維護(hù)困難

2.1 RTK技術(shù)自身局限

打樁船沉樁定位通常采用1臺基準(zhǔn)站配備2臺流動(dòng)站的“1+2”RTK方式完成，使用技術(shù)比較成熟。但RTK技術(shù)有一定局限性，主要有用戶需要自行架設(shè)本地的基準(zhǔn)站、誤差隨距離增長（ppm參數(shù)影響）、誤差增長使流動(dòng)站和基準(zhǔn)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(zhǔn)站維護(hù)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(gè)控制點(diǎn)，然后在該控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站的看管維護(hù)方面存在諸多不便，成本較高。

2.2.1 基準(zhǔn)站看護(hù)保管問題

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

2.2.2 基準(zhǔn)站供電問題

（1）基準(zhǔn)站在施工中保持常開狀態(tài)，施工現(xiàn)場臨時(shí)供電造成時(shí)常停電，影響施工嚴(yán)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(nèi)置電池供電只能達(dá)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(hù)所需人工和費(fèi)用大。

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

2.2.3基準(zhǔn)站發(fā)射天線架設(shè)和防雷擊問題

（1）基準(zhǔn)站與施工現(xiàn)場間的距離與差分信號發(fā)射天線架設(shè)高度成正比，距離越遠(yuǎn)，架設(shè)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(huì)造成主機(jī)、電臺主板燒毀，因?yàn)榫S修機(jī)器導(dǎo)致停工和花費(fèi)。加設(shè)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(fèi)巨大。

2.3 打樁船應(yīng)用RTK技術(shù)所產(chǎn)生的特定局限

2.3.1 作業(yè)模式老舊

RTK技術(shù)作業(yè)模式仍舊依靠逐級建立控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)測量，準(zhǔn)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(yuǎn)的工程，作業(yè)前期控制網(wǎng)的選點(diǎn)、測設(shè)、解算、架站等工作花費(fèi)時(shí)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(jī)型號或電臺頻點(diǎn)不同，則導(dǎo)致各自RTK作業(yè)不能兼容，必須各自設(shè)置基準(zhǔn)站，造成重復(fù)建設(shè)和信號影響，因自設(shè)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(shè)備保管看護(hù)，各基準(zhǔn)站的架設(shè)集中在項(xiàng)目辦公場地，距離很近，受高頻通訊、臨時(shí)發(fā)電機(jī)組、發(fā)射天線相近、功率大小等原因產(chǎn)生干擾、假鎖定、多路徑效應(yīng)等影響精度的情況，極易在施工中造成錯(cuò)誤。

3 VRS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在打樁定位施工上的應(yīng)用

3.1 方案確定

3.1.1確定主機(jī)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(dòng)站天線電纜，通過內(nèi)置電臺將無線電信號轉(zhuǎn)化為差分?jǐn)?shù)據(jù)直接輸入主機(jī)；

（2）利用外置電臺先將室外無線電信號轉(zhuǎn)化為差分?jǐn)?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?jǐn)?shù)據(jù)輸送入主機(jī)。

VRS系統(tǒng)中控制中心直接發(fā)送處理過的差分?jǐn)?shù)據(jù)，采取方法（2）導(dǎo)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(zhuǎn)換程序利用廠家網(wǎng)站下載的免費(fèi)試運(yùn)行軟件GNSS Internet Radio程序；

（3）利用筆記本電腦配備無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無線通訊；

3.2 工藝要點(diǎn)和操作流程

3.2.1 外接信號采集設(shè)備接入系統(tǒng)

4 VRS技術(shù)實(shí)施效果

4.1 VRS技術(shù)實(shí)施效果

VRS系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用有初始化速度快，標(biāo)準(zhǔn)偏差小，能夠在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離上保證信號提供的高質(zhì)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(shè)立基準(zhǔn)站的步驟，避免了傳統(tǒng)基準(zhǔn)站設(shè)置帶來的常規(guī)RTK技術(shù)自身局限、基準(zhǔn)站維護(hù)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(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)通過連續(xù)傳送至VRS中央服務(wù)器并對其質(zhì)量檢測，去除大的粗差并修正周跳，分析雙差觀測量來計(jì)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(jīng)濟(jì)

4.1.4 初始化速度快

實(shí)際應(yīng)用中對初始化時(shí)間統(tǒng)計(jì)，50%以上能夠在1.5 min內(nèi)完成初始化，80%以上能夠在5 min內(nèi)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(shí)踐中的改進(jìn)措施

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)路堵塞，掉線等問題。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，其中有很大部分原因是因?yàn)橄到y(tǒng)“容錯(cuò)”導(dǎo)致在重新運(yùn)算過程中，數(shù)據(jù)量傳輸存在變動(dòng)，不能使系統(tǒng)正常工作，產(chǎn)生堵塞、掉線。將筆記本電腦遠(yuǎn)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(shí)間段影響

中午前后在部分時(shí)間段衛(wèi)星顆數(shù)能夠達(dá)到觀測要求，但初始化時(shí)間長，甚至不能初始化，這是因?yàn)槭茈婋x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(yán)重。盡量選擇避開觀測質(zhì)量差的時(shí)段施工。

4.2.3 高頻信號源干擾易造成無線網(wǎng)卡斷網(wǎng)掉線

船舶移動(dòng)時(shí)，受到高頻信號源的干擾和大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場干擾等因素，無線網(wǎng)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(jī)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(zhuǎn)很多。

4.2.4 串口連接線的制作必須保證屏蔽

在制作試驗(yàn)用一分二串口線時(shí)，數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)亂碼較多。經(jīng)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(jìn)出電源、信號的引腳連接好，其他的屏蔽措施沒有做，導(dǎo)致經(jīng)過主控臺較多電器過程中受到干擾影響信號傳輸，改進(jìn)屏蔽后問題解決。

5 結(jié)語

VRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最大優(yōu)勢在于不必自身布網(wǎng)設(shè)站，作業(yè)時(shí)間不受限制，不必考慮控制網(wǎng)、基準(zhǔn)站維護(hù)，實(shí)現(xiàn)全天候的可靠操作。經(jīng)打樁實(shí)踐證明，VRS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)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(diǎn)，同時(shí)也存在一些實(shí)際作業(yè)中的技術(shù)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(chǎn)成本。這是國內(nèi)首次將該技術(shù)應(yīng)用在海上打樁施工中，對今后水工工程應(yīng)用應(yīng)用VRS技術(shù)起到實(shí)踐和總結(jié)作用，代表著GPS應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的方向。

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