基于VRS的網(wǎng)絡(luò)RTK在嘉紹跨江大橋工程中的應(yīng)用

陳偉麟

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京）

基于VRS的網(wǎng)絡(luò)RTK在嘉紹跨江大橋工程中的應(yīng)用

陳偉麟

（中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司，江蘇 南京）

隨著全球衛(wèi)星定位技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)管理技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)已日益成熟，其應(yīng)用的范圍也日益擴(kuò)大。本文敘述了網(wǎng)絡(luò)RTK的定位原理以及消除和減弱GPS定位誤差源的主要方法，并給合嘉紹跨江大橋工程的施工來介紹網(wǎng)絡(luò)RTK的實(shí)際應(yīng)用情況。

網(wǎng)絡(luò)RTK VRS技術(shù) 定位原理 精度分析 應(yīng)用與體會(huì)

1 引言

GPS技術(shù)的發(fā)展，帶來了測繪方式的革命性變化，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（GPS RTK）技術(shù)的應(yīng)用，則使GPS的應(yīng)用由面（控制）及點(diǎn)（工程點(diǎn)），由宏觀的區(qū)域控制達(dá)到了微觀的細(xì)部點(diǎn)測繪。但由于GPS RTK定位技術(shù)是基于一種單基站的載波相位實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)，參考站需將自身所獲得的載波相位觀測值及站點(diǎn)坐標(biāo)，通過電臺(tái)或手機(jī)模塊等數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)傳送到周圍的流動(dòng)站，流動(dòng)站再根據(jù)自身獲得觀測值以及參考站傳來的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件求得自己的瞬時(shí)絕對(duì)位置，這種定位方法存在以下一些不足和局限性[1]。

（1）用戶需要架設(shè)本地參考站，每次實(shí)施外業(yè)測量前，都需要架設(shè)與設(shè)置參考站；

（2）誤差隨距離增加而增加。RTK利用GPS中對(duì)流層改正，電離層改正，軌道改正的空間相關(guān)性，應(yīng)用差分技術(shù)消除或減弱。但隨著距離的增加，這些誤差的相關(guān)性減弱，使得差分技術(shù)無法消除或減弱這些誤差。

（3）可靠性隨著距離增加而降低。隨著距離的增加，對(duì)流層、電離層以及軌道改正的空間相關(guān)性減弱，差分后誤差很大程度上仍然保留在觀測值中，從而降低了成果的可靠性。

為了克服上述RTK作業(yè)的局限性和不足，增強(qiáng)可靠性、延長作業(yè)距離、提高測量精度，網(wǎng)絡(luò)RTK就應(yīng)運(yùn)而生了。

2、網(wǎng)絡(luò)RTK概念及工作原理

網(wǎng)絡(luò)RTK（Network RTK）是指在一定區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)參考站,對(duì)該地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測，通過這些站點(diǎn)組成衛(wèi)星定位觀測值的網(wǎng)絡(luò)解算，獲取覆蓋該地區(qū)和該時(shí)間段的RTK改正參數(shù)，用于該區(qū)域內(nèi)RTK測量用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)RTK改正的定位方式。

2.1 VRS技術(shù)

VRS（virtual reference station）技術(shù) ，又稱為虛擬參考站。它是網(wǎng)絡(luò)RTK的核心技術(shù)。與常規(guī)RTK不同，VRS網(wǎng)絡(luò)中，各固定參考站不直接向移動(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。同時(shí)，移動(dòng)站在工作前，先通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（CDMA、GPRS等）與流動(dòng)站通訊，向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)， 控制中心收到這個(gè)位置信息后，根據(jù)用戶位置，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇最佳的一組固定基準(zhǔn)站，根據(jù)基站發(fā)來的信息，整體的改正GPS的軌道誤差、電離層、對(duì)流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號(hào)發(fā)給移動(dòng)站。這個(gè)差分信號(hào)的效果相當(dāng)于在移動(dòng)站旁邊，生成一個(gè)虛擬的參考基站，從而解決了 RTK作業(yè)距離上的限制問題，并保證了用戶的精度。VRS原理見圖1

圖1 VRS(虛擬參考站技術(shù))原理圖

3、GPS RTK定位中的誤差

一般情況下，GPS定位中出現(xiàn)的各種誤差從誤差源來講大體可以分為以下幾類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差、接收機(jī)本身的誤差、軟件解算誤差、對(duì)中（對(duì)點(diǎn)）誤差、基站坐標(biāo)傳算誤差，不同時(shí)刻衛(wèi)星狀態(tài)和觀測條件引起的誤差等。

與衛(wèi)星有關(guān)的誤差包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘的鐘誤差和相對(duì)論效應(yīng)；與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差包括電離層延遲、對(duì)流層延遲和多路徑效應(yīng)；與接收機(jī)有關(guān)的誤差主要包括接收機(jī)鐘的鐘誤差和接收機(jī)的測量噪聲等[2]。

4、網(wǎng)絡(luò)RTK定位中消除和減弱誤差源的主要方法

網(wǎng)絡(luò)RTK定位同樣受到GPS RTK定位各種誤差的影響，為了有效消除和減弱上述誤差影響，網(wǎng)絡(luò)RTK主要采用了以下幾個(gè)方法：

（1）建立區(qū)域改正模型。網(wǎng)絡(luò)RTK中的VRS技術(shù)模型是建立在連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)基礎(chǔ)之上的，系統(tǒng)根據(jù)連續(xù)采集所有參考站接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)計(jì)算、建立區(qū)域誤差改正模型，實(shí)時(shí)產(chǎn)生局部區(qū)域改正數(shù)據(jù)，整體改正GPS的軌道誤差、電離層和對(duì)流層等誤差。

（2）生成虛擬參考站，差分解算。系統(tǒng)根據(jù)移動(dòng)站概略位置信息，在移動(dòng)站附近產(chǎn)生虛擬參考站，利用誤差在觀測值之間的相關(guān)性，移動(dòng)站在進(jìn)行差分定位。

（3）高精度的參考站坐標(biāo)。利用高精度的參考站坐標(biāo)，實(shí)時(shí)計(jì)算區(qū)域誤差改正模型和產(chǎn)生虛擬參考站，減弱由于基準(zhǔn)站誤差而引起的移動(dòng)站定位誤差。

5、網(wǎng)絡(luò)RTK的誤差評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK精度的評(píng)定，通常是以系統(tǒng)的內(nèi)附合精度和外附合精度兩方面來進(jìn)行的。它反映的是流動(dòng)站在真實(shí)作業(yè)條件下，利用系統(tǒng)播發(fā)的網(wǎng)絡(luò)差分改正信息，可以得到的RTK實(shí)時(shí)定位精度。影響RTK實(shí)時(shí)定位測量精度的可能因素有測站可用衛(wèi)星分布情況（可用衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星分布）、通信質(zhì)量狀況（是否能收到差分改正信息及延遲情況）、系統(tǒng)定位算法的優(yōu)劣等。通過統(tǒng)計(jì)測試坐標(biāo)的內(nèi)符合精度和外符合精度，即可對(duì)系統(tǒng)定位精度作出評(píng)定。

5.1系統(tǒng)內(nèi)附合精度的評(píng)定：

所有n個(gè)檢測點(diǎn)在三維分量上的內(nèi)符合性精度的評(píng)定公式為：

5.2系統(tǒng)外附合精度的評(píng)定：

系統(tǒng)的外附合精度，是指利用測點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)后，與該坐標(biāo)系下的該測點(diǎn)已知值比較所得的結(jié)果?？捎孟率奖硎荆海街校菏菧y量點(diǎn)采用轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換值與已知值之差；

6、網(wǎng)絡(luò)RTK測量技術(shù)在嘉紹大橋的應(yīng)用

6.1工程簡介：

嘉紹大橋是跨越天然屏障錢塘江的一座特大型橋梁，全長10.137公里，采用雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，橋梁寬度為40.5m計(jì)算行車速度100km/h，荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-I級(jí)。主航道橋?yàn)楠?dú)柱型六塔斜拉橋，四索面分離鋼箱梁形式；北副航道橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室箱梁，下部結(jié)構(gòu)為群樁基礎(chǔ)加實(shí)心墩；水中區(qū)引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，下部結(jié)構(gòu)采用單樁獨(dú)柱結(jié)構(gòu)；陸地區(qū)南、北兩側(cè)引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，采用鉆孔灌注樁雙柱式墩。

6.2嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)情況介紹

2009年下半年的一天，程瀚對(duì)許某某說其蕪湖碧桂園房子要裝修，許某某豈能不知這位程瀚局長的意思？當(dāng)即表示可以幫其裝修。程瀚還讓其購買一臺(tái)電視機(jī)和一臺(tái)飲水機(jī)，許某某哪敢不照辦？公司前后花費(fèi)80多萬元，而程瀚只是象征性地付了30萬元。2010年，程瀚讓許某某幫其買下望湖城的一套房子，許某某立馬安排公司會(huì)計(jì)交了59萬元房款。

為了做好嘉紹大橋的測量服務(wù)工作，保證大橋的順利貫通，業(yè)主專門建立了嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)，分別在南北兩岸設(shè)置了統(tǒng)一的連續(xù)運(yùn)行的GNSS參考站。24小時(shí)不間斷地發(fā)送CMR、CMR+數(shù)據(jù)格式的差分信息。流動(dòng)站按測控中心的要求采用TSC2手簿和Trimble R8 GNSS雙頻接收機(jī)，手簿與接收機(jī)之間采用藍(lán)牙連接。

嘉紹大橋首級(jí)控制網(wǎng)及連續(xù)運(yùn)行參考站(CROS)布置見圖2

圖2 嘉紹大橋首級(jí)控制網(wǎng)及連續(xù)運(yùn)行參考站示意圖

6.3 嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的組成

嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)主要由以下三部分組成：即控制中心、固定參考站、流動(dòng)站。

（1）控制中心

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，既是通訊控制中心，也是數(shù)據(jù)處理中心。它通過通訊線（光纜，ISDN、電話線等）與所有的固定參考站通訊；通過無線網(wǎng)絡(luò)與流動(dòng)站通訊，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK控制中心見圖3

圖3 嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK控制中心

（2）固定參考站（連續(xù)運(yùn)行的參考站）

固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng)，分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中可包括無數(shù)個(gè)站，固定站與控制中心之間有通訊線相連，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到控制中心。嘉紹大橋分別在南北兩岸設(shè)置了統(tǒng)一的連續(xù)運(yùn)行的GNSS參考站。

（3）流動(dòng)站

流動(dòng)站由GNSS接收機(jī)與無線通訊的調(diào)制解調(diào)器組成。接收機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)將自己的初始位置發(fā)給控制中心，并接收控制中心的差分信號(hào)，從而獲得高精度的定位服務(wù)。

6.4流動(dòng)站系統(tǒng)配置過程

（1）求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。打開TSC2手簿，進(jìn)入Trimble survey controller應(yīng)用軟件，點(diǎn)測量→VRS→工地校正，正確輸入測控中心提供的大橋10個(gè)首級(jí)控制點(diǎn)和二個(gè)連續(xù)運(yùn)行的GNSS參考站控制點(diǎn)的84坐標(biāo)和大橋工程獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)，求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（2）設(shè)置測量形式。進(jìn)入配置菜單→測量形式→VRS，測量類型選RTK；播發(fā)格式選 CMR+；截止高度角設(shè)定為 10°PDOP限制為 6；天線類型選 R8 Model2/sps88x Internal；衛(wèi)星跟蹤選L2e,并勾選Glonass選項(xiàng)。

（3）配置網(wǎng)絡(luò)連接。進(jìn)入配置菜單→撥號(hào)簡表→連接名→網(wǎng)絡(luò)連接→GPRS→NTRIP用戶名→密碼→IP地址→IP端口。

6.5流動(dòng)站操作流程

（1）打開TSC2手簿和R8 GNSS接收機(jī)，完成雙方的藍(lán)牙連接。將GPRS連接到控制中心網(wǎng)絡(luò)。

（2）流動(dòng)站GNSS接收機(jī)保持穩(wěn)定，進(jìn)行初始化工作獲取RTK固定解。初始化時(shí)間視衛(wèi)星狀況、觀測環(huán)境狀況及不同的接收機(jī)類型等可能會(huì)持續(xù)10～30 s不等。

（3）在待測點(diǎn)上得到固定解且穩(wěn)定 2s鐘后，開始記錄數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄三次結(jié)果（5s 采樣間隔）。

（4）取平均值作為該點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

（5）如果不能順利初始化，可移動(dòng)流動(dòng)站天線位置，選擇觀測條件好的地點(diǎn)進(jìn)行初始化，然后返回移動(dòng)到待測點(diǎn)上，按照步驟(3)進(jìn)行觀測。

（6）作業(yè)過程中如果發(fā)生初始化丟失時(shí)，需要重新穩(wěn)定進(jìn)行初始化工作，直至得到RTK固定解為止，按照(3)、(4)步驟進(jìn)行。

6.6嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK的精度指標(biāo)

嘉紹大橋網(wǎng)絡(luò)RTK采用Trimble R8 GNSS雙頻接收機(jī)，對(duì)流動(dòng)站的作業(yè)精度進(jìn)行了大量的測試驗(yàn)證與分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)內(nèi)符合精度平均為=± 1.62mm=±2.55mm=±7.75 mm；系統(tǒng)外符合精度平均為=2.8mm= 3.7mm= 14.8mm 完全滿足大橋施工放樣精度的需要。

6.7網(wǎng)絡(luò)RTK應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

通過網(wǎng)絡(luò)RTK在嘉紹大橋中的應(yīng)用，總結(jié)出網(wǎng)絡(luò)RTK在網(wǎng)絡(luò)控制的范圍內(nèi)，提高了精度，同時(shí)由于采用了多個(gè)參考站的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，大大提高了成果的可靠性，但是網(wǎng)絡(luò)RTK還是會(huì)受到衛(wèi)星信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量等因素等影響，因而仍存在一定的誤差因素，必須采用一定的措施來保證其測設(shè)質(zhì)量：

（1）網(wǎng)絡(luò) RTK作業(yè)應(yīng)避免雷雨天氣，夜間作業(yè)精度一般優(yōu)天白天，根據(jù)每周的星歷預(yù)報(bào)中的衛(wèi)星分布情況安排作業(yè)計(jì)劃。一般情況下要在接收衛(wèi)星保持 6顆以上，PDOP(即精度因子)＜6時(shí)，才能進(jìn)行作業(yè)[3]。

（2）施工放樣時(shí)，應(yīng)先將儀器置于已知控制點(diǎn)上，將測得的數(shù)據(jù)與已知的成果比較，兩者的差異在限差內(nèi)才能開始實(shí)際作業(yè)，在作業(yè)過程中也應(yīng)注意對(duì)已知點(diǎn)的檢核。

（3）每個(gè)點(diǎn)位放樣結(jié)束后，要對(duì)放樣點(diǎn)位至少進(jìn)行兩次初始化測量，以防粗差出現(xiàn)。多次觀測的成果較差符合要求則取平均值作業(yè)最終成果。

（4）雖然網(wǎng)絡(luò) RTK作業(yè)方法簡單，對(duì)作業(yè)人員的技術(shù)要求不高，但是要求作業(yè)人員的責(zé)任心要強(qiáng)，測桿上的水準(zhǔn)器必須定期嚴(yán)格校正，天線高必須準(zhǔn)確讀取輸入，輸入已知點(diǎn)坐標(biāo)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)必須認(rèn)真仔細(xì)地校核，以防系統(tǒng)誤差和粗差產(chǎn)生。

（5）根據(jù)工程需要，也可采用全站儀和水準(zhǔn)儀抽檢網(wǎng)絡(luò)RTK所測設(shè)的平面、高程成果。

6.8網(wǎng)絡(luò)RTK在嘉紹大橋應(yīng)用中的一點(diǎn)體會(huì)：

（1）基于VRS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，使大型橋梁施工測量進(jìn)入了一個(gè)新的階段。在VRS網(wǎng)絡(luò)控制的范圍內(nèi)，1PPM（=1×10-6）的概念沒有了。在VRS網(wǎng)絡(luò)控制范圍內(nèi)，所有測量的精度是均勻的、獨(dú)立的，其測設(shè)的精度均在 10mm以內(nèi)，完全滿足了大型橋梁工程各部位的施工放樣作業(yè)。

（2）虛擬參考站與流動(dòng)站所受到的誤差間的相關(guān)性好，能較完善的得以消除，因而通常都能獲得固定解。如果整周模糊度確定的不正確，將直接導(dǎo)致流動(dòng)站測量成果出現(xiàn)粗差。在外業(yè)放樣及數(shù)據(jù)采集過程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)初始化錯(cuò)誤并剔除粗差，可以采取以下方法：一個(gè)是對(duì)初始化時(shí)間進(jìn)行控制，初始化時(shí)間較長，說明流動(dòng)站觀測條件不好或有其他影響RTK初始化因素的存在，大量的檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一般初始化時(shí)間較短時(shí)，精度相應(yīng)較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。另一個(gè)是多測回觀測。作業(yè)時(shí)，對(duì)同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行多測回觀測（一測回即接收機(jī)重新初始化一次后的觀測），能有效發(fā)現(xiàn)初始化錯(cuò)誤引起的粗差。

（3）目前國內(nèi)大型橋梁工程一般都會(huì)分成若干個(gè)標(biāo)段，在沒有網(wǎng)絡(luò)RTK時(shí)，各施工單位單打獨(dú)斗，測量手段五花八門，測量精度高低不一，給各標(biāo)段的銜接施工帶來了一定的質(zhì)量隱患。而在網(wǎng)絡(luò)RTK下，各標(biāo)段的測量基準(zhǔn)點(diǎn)是統(tǒng)一的，測量手法基本相同，精度均勻，免去了相鄰標(biāo)段的銜接控制測量辛勞，提高了橋梁貫通的質(zhì)量。

（4）運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)RTK，流動(dòng)站初始化時(shí)間短、點(diǎn)位精度高、可靠性強(qiáng)且基本上不受地域條件的限制，很好解決了大面積水域施工沒有控制點(diǎn)，常規(guī)測量儀器無法順利展開工作的難點(diǎn)。

7、結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)RTK在嘉紹跨江大橋的應(yīng)用是成功的，為整個(gè)工程的順利建設(shè)提供了極大的便利。也為今后的大型橋梁工程提供了有益借鑒。網(wǎng)絡(luò)RTK是伴隨著空間定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)迅速發(fā)展起來的先進(jìn)測量段和全新的測量理念。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為：未來5～10年，GPS網(wǎng)絡(luò)建設(shè)將高速發(fā)展，而VRS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)將代表著GPS目前發(fā)展的方向。

[1]黃俊華,陳文森.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（CORS）建設(shè)與應(yīng)用.科學(xué)出版社.2009.1

[2]李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理.武漢大學(xué)出版社.2005.3

[3]全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范 GB/T 18314-2009

U445

B

1007-6344（2015）03-0165-02

陳偉麟( 1986～)，助理工程師。