吳鴻斌

(湘潭市第五物探大隊,湖南湘潭 411104)

GPS測量在南方山地施工中的幾項問題分析

吳鴻斌

(湘潭市第五物探大隊,湖南湘潭 411104)

介紹 GPS測量在南方山地施工中的幾項問題,結(jié)合實際工作中遇到的問題分析 GPS RTK的作業(yè)機理,探討在南方山地施工中影響RTK測量的制約因素,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 GPS接收機安裝在已知點上對 GPS衛(wèi)星進行觀測,將采集的載波相位觀測量調(diào)制到基準站電臺的載波上,再通過基準站電臺發(fā)射出去;流動站在對 GPS衛(wèi)星進行觀測并采集載波相位觀測量的同時,也通過流動站電臺接收由基準站電臺發(fā)射的信號,經(jīng)解調(diào)得到基準站的載波相位觀測量;流動站的 GPS接收機再利用OTF(運動中求解整周模糊度)等技術(shù)由基準站的載波相位觀測量和流動站的載波相位觀測量來求解整周模糊度,最后求出流動站的位置。RTK可以應(yīng)用于控制、放樣、測圖等工作,已涵蓋大地測量、石油勘探測量、地形測量、地籍測量、航空攝影測量、GIS、設(shè)備控制、變形監(jiān)測、精準農(nóng)業(yè)、水上測量、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測量的制約因素主要有三個方面：①求解起始的整周模糊度(初始化);②基準站與流動站間的數(shù)據(jù)傳輸;③合適的測量生產(chǎn)組織。筆者結(jié)合貴州黔中山地石油勘探測量作業(yè)對這三項關(guān)鍵技術(shù)問題進行初步的分析。

二、整周模糊度的確定

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

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,它是在流動站近似坐標和協(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)計算所有的可能模糊度解,然后通過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,對于失鎖后再次鎖定的問題處理將更快。經(jīng)驗認為,要確定整周模糊度,必須有適合的 PDOP值。筆者在 2006年度的黔中二維項目中,利用Ashtech Z-X GPS進行RTK作業(yè)時,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?；鶞收九c流動站均成功捕獲 6顆以上衛(wèi)星,無線電接收良好,但初始化時間較長。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,無線電信號容易失鎖。經(jīng)過多年野外實際作業(yè)經(jīng)驗發(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采用超短波進行差分數(shù)據(jù)傳送。這個波段主要是超高頻UHF與甚高頻VHF波。UHF波長為 1～0.1 m,通常稱為“分米波”。VHF波長為10～1m,通常稱為“米波”。這兩個波段廣泛用于電視、調(diào)頻廣播、移動電話、傳呼機、股票信息機、微波通信和雷達等設(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的波長短,因此UHF天線長度比VHF天線更短,發(fā)射機天線更便于安裝,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,直線傳播性強,但易受障礙物、地形和地球曲率的影響。當(dāng)使用 9 600 bit/s來傳送數(shù)據(jù)時,每發(fā)送一組數(shù)據(jù) (假設(shè)有 8顆衛(wèi)星時)要占用0.7 s左右時間(發(fā)射時間會隨衛(wèi)星的多少而變化),因此基準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分別是基準站和流動站電臺的天線高,單位為 m;D為數(shù)據(jù)鏈覆蓋范圍的半徑,單位為 km。當(dāng)然這是在無障礙物遮擋和無電波干擾的理想條件下的覆蓋范圍,實際應(yīng)用中將會有較大的出入。

3.RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)母倪M

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?這是由在運動中進行無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)措施來抵消衰落的不利影響?？傊?最佳通信系統(tǒng) =最佳發(fā)射機 +最佳接收機 +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)。為了增強通信能力,進行RTK測量時,可采取下列解決辦法：

1)把RTK的基準站布設(shè)在RTK有效測區(qū)中央最高的控制點上;

2)提高基準站和流動站天線的架設(shè)高度;

3)使用高增益天線及高靈敏度接收機。

由于山地施工的地形起伏較大,同時許多地方樹林密集,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,在以上三項條件相同的情況下,最主要改進 RTK數(shù)據(jù)傳輸?shù)霓k法如下：

1)縮短各點到基準站的距離,使其能滿足“電磁波通視”,當(dāng)基準站與流動站距離較遠時,基準站必須搬遷。在山地施工中,信號的衰減較快,各種干擾因素多。例如各家通信公司的信號塔,高壓電線產(chǎn)生的電流磁場,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,基準站和流動站的距離是越短越好。但是,在山地中每次搬遷基準站都需較長時間,在長期的生產(chǎn)作業(yè)中得出的結(jié)論是基準站每天只能搬遷一次,即在晚上收工時進行。如果基準站需要一天搬遷兩次,將大大占用流動站的作業(yè)時間,最終的結(jié)果將是大大提高生產(chǎn)成本。

2)架設(shè)多個基準站的方法。比如用一個基準站控制 8個流動站,一個流動站需完成 2 km的工作量,這就需要一個基準站架在中間的情況下,單邊也需控制8 km的信號。這對一個基準站(指在南方山地施工中)來說是很困難控制的;但在同樣工作量的地方架設(shè)兩個基準站,那么一個基準站只需控制 4 km的信號,大大縮短了基準站和流動站的距離,這種方法的好處是顯而易見的。但是這種方法成本高,無論是設(shè)備成本還是生產(chǎn)成本都較高。架設(shè)多個基準站需多個 GPS控制點,加重了測量前期施工的工作量,而且需安排多人架設(shè)基準站。

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

四、測量施工的生產(chǎn)組織

南方山地測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。測量作為地震分隊的一個相對獨立作業(yè)班組,也具有自身的特殊性,不管是從野外實地資料采集到內(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 2006年黔中二維施工遇到的問題,筆者認為制約山地測量生產(chǎn)進度的最主要的幾個因素如下：

1.與地震隊溝通

正如上述,測量在地震分隊中是一個相對獨立的作業(yè)班組,這也就要求測量與地震分隊的溝通顯得尤為重要,測量作業(yè)時一般都在最前面,在野外作業(yè)時遇到的各種問題也是最先體驗,這就要求測量的組織者要及時取得與地震分隊領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)系,反映生產(chǎn)中遇到的困難和問題,取得地震分隊的支持,為地震分隊的后續(xù)生產(chǎn)排憂解難。反之,也要求地震分隊要及時下達各種生產(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)進度的情況發(fā)生。在山地測量施工中,每個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年采購的,老化情況較為嚴重,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。在施工中另一個突出的問題就是中繼站的調(diào)度問題,GPS測量在山地施工中是一個整體配合作業(yè)的過程,也就要求野外組織者能及時靈活地調(diào)度中繼站,順利地完成當(dāng)天工作。

3.測量補點

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

要避免在山地施工中的測量補點問題是很困難的,但可以采取一些措施來盡量減少補點。

五、GPS測量在南方山地施工中應(yīng)注意的問題和對策

1)由于 RTK測量精度受衛(wèi)星分布精度因子和數(shù)據(jù)鏈性能的影響,而且各個觀測值都是獨立觀測的,所以正式測量前必須聯(lián)測其他已知點,對測量結(jié)果進行對比,以判斷參考站和流動站各參數(shù)設(shè)置是否正確以及數(shù)據(jù)鏈通信是否正常,確保觀測成果的可靠性。

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

3)RTK數(shù)據(jù)傳輸鏈路容易受障礙物如山峰、丘陵的影響,解決這類問題,一是把基準站架設(shè)在測區(qū)中央的高點,如果實在沒有高點,可考慮搬站,將基準站搬到適時差分的有效作業(yè)范圍內(nèi);二是流動站利用加長桿把天線升高,增加接收信號強度,并及時充電避免電臺由于電量不足導(dǎo)致性能下降。

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

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

六、結(jié)束語

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

[1] 張勤,李家權(quán).全球定位系統(tǒng) (GPS)測量原理及其數(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,湖南桂陽人,工程師,主要從事石油物探工作。