孫棟　丁琦　韓帥

摘 要：該文簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)易應(yīng)用，從系統(tǒng)組成、軟硬件配置、實(shí)施效果評(píng)估等方面做簡(jiǎn)單分析和介紹。該技術(shù)不架設(shè)基準(zhǔn)站和電臺(tái)，初始化速度快，可靠性高，信號(hào)質(zhì)量和精度滿(mǎn)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(hào)傳輸?shù)攘觿?shì)；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(lèi)號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)于光學(xué)儀器和氣象條件的依賴(lài)與限制，杭州灣跨海大橋等長(zhǎng)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(hào)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)介

虛擬基準(zhǔn)站VRS（Virtual Reference Stations）技術(shù)集網(wǎng)絡(luò)管理、無(wú)線(xiàn)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(duì)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(cè)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(hù)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間GPS靜態(tài)相對(duì)定位等方法來(lái)確定基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，再通過(guò)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(guān)測(cè)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(guò)通訊線(xiàn)纜與固定基準(zhǔn)站通訊，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)用戶(hù)通訊。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)綜合、分流和存儲(chǔ)、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(hù)部分

用戶(hù)部分就是具備無(wú)線(xiàn)通訊用戶(hù)的接收機(jī)，配以船舶車(chē)輛等不同載體，通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(hào)，生成厘米級(jí)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(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的NEMA位置信息?？刂浦行慕邮沾诵畔⒉⑦M(jìn)行誤差計(jì)算，重新向流動(dòng)站發(fā)送改正過(guò)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(guān)測(cè)值計(jì)算出該虛擬基準(zhǔn)站上的虛擬觀(guān)測(cè)值，用戶(hù)采用常規(guī)RTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位，解決了RTK作業(yè)距離上的限制問(wèn)題，并保證了用戶(hù)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(hù)發(fā)送任何改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊線(xiàn)發(fā)給控制中心；

（2）打樁船工作前，首先通過(guò)GSM無(wú)線(xiàn)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(duì)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(hào)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(xiàn)或超短基線(xiàn)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(tái)基準(zhǔn)站配備2臺(tái)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(hù)需要自行架設(shè)本地的基準(zhǔn)站、誤差隨距離增長(zhǎng)（ppm參數(shù)影響）、誤差增長(zhǎng)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(wèn)題

打樁船使用的基準(zhǔn)站至少由1臺(tái)GPS接收機(jī)、1臺(tái)電臺(tái)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(wèn)題。

2.2.2 基準(zhǔn)站供電問(wèn)題

（1）基準(zhǔn)站在施工中保持常開(kāi)狀態(tài)，施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)供電造成時(shí)常停電，影響施工嚴(yán)重，通過(guò)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(zhuān)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(chǎng)電壓不穩(wěn)定，極易造成電壓波動(dòng)燒毀主機(jī)、電臺(tái)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(tái)，花費(fèi)較大。

2.2.3基準(zhǔn)站發(fā)射天線(xiàn)架設(shè)和防雷擊問(wèn)題

（1）基準(zhǔn)站與施工現(xiàn)場(chǎng)間的距離與差分信號(hào)發(fā)射天線(xiàn)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(xiàn)需接地或配備避雷裝置防雷擊，普通接地裝置無(wú)法保證避雷效果，一旦遭受雷擊會(huì)造成主機(jī)、電臺(tái)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(hào)發(fā)送不穩(wěn)定，專(zhuān)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(jí)建立控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)測(cè)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(cè)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(lèi)型船舶，各道工序配備的接收機(jī)型號(hào)或電臺(tái)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(hào)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(chǎng)地，距離很近，受高頻通訊、臨時(shí)發(fā)電機(jī)組、發(fā)射天線(xiàn)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(hào)傳輸接口

在采用常規(guī)RTK方式中，電臺(tái)差分信號(hào)接收方式有兩種：

（1）通過(guò)右下端接口接室外流動(dòng)站天線(xiàn)電纜，通過(guò)內(nèi)置電臺(tái)將無(wú)線(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分?jǐn)?shù)據(jù)直接輸入主機(jī)；

（2）利用外置電臺(tái)先將室外無(wú)線(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)接到右上端3號(hào)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(guò)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，采取方法（2）導(dǎo)入信號(hào)。

3.1.2確定簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)采集方案

（1）接3號(hào)接口的數(shù)據(jù)線(xiàn)編碼代號(hào)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(chǎng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通訊；

3.2 工藝要點(diǎn)和操作流程

3.2.1 外接信號(hào)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(guò)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(hào)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(zhǎng)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(lái)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(shì)。

4.1.1 精度大幅度提高

（1）VRS通過(guò)固定基準(zhǔn)站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)連續(xù)傳送至VRS中央服務(wù)器并對(duì)其質(zhì)量檢測(cè)，去除大的粗差并修正周跳，分析雙差觀(guān)測(cè)量來(lái)計(jì)算電離層誤差、對(duì)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(jí)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(duì)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(xiàn)問(wèn)題

打樁施工中出現(xiàn)開(kāi)始觀(guān)測(cè)固定解情況良好，但使用未完成出現(xiàn)網(wǎng)路堵塞，掉線(xiàn)等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)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(guò)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(xiàn)。將筆記本電腦遠(yuǎn)離主控臺(tái)，并防止電器干擾造成程序數(shù)據(jù)堵塞，問(wèn)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(guān)測(cè)要求，但初始化時(shí)間長(zhǎng)，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(hào)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(guò)程中衰減嚴(yán)重。盡量選擇避開(kāi)觀(guān)測(cè)質(zhì)量差的時(shí)段施工。

4.2.3 高頻信號(hào)源干擾易造成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡斷網(wǎng)掉線(xiàn)

船舶移動(dòng)時(shí)，受到高頻信號(hào)源的干擾和大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾等因素，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡掉線(xiàn)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(huà)的干擾，掉線(xiàn)情況好轉(zhuǎn)很多。

4.2.4 串口連接線(xiàn)的制作必須保證屏蔽

在制作試驗(yàn)用一分二串口線(xiàn)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(guò)線(xiàn)路排查，發(fā)現(xiàn)故障出現(xiàn)在自制一分二串口線(xiàn)接口處，簡(jiǎn)單將進(jìn)出電源、信號(hào)的引腳連接好，其他的屏蔽措施沒(méi)有做，導(dǎo)致經(jīng)過(guò)主控臺(tái)較多電器過(guò)程中受到干擾影響信號(hào)傳輸，改進(jìn)屏蔽后問(wèn)題解決。

5 結(jié)語(yǔ)

VRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)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(mǎn)足水工工程測(cè)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(duì)性的適宜解決措施，提高工作效率，減少生產(chǎn)成本。這是國(guó)內(nèi)首次將該技術(shù)應(yīng)用在海上打樁施工中，對(duì)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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