基于VRS的網絡RTK在嘉紹跨江大橋工程中的應用

陳偉麟

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇 南京）

基于VRS的網絡RTK在嘉紹跨江大橋工程中的應用

陳偉麟

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司，江蘇 南京）

隨著全球衛星定位技術、現代計算機管理技術、數字通訊技術和互聯網技術迅速發展，網絡RTK技術已日益成熟，其應用的范圍也日益擴大。本文敘述了網絡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絡RTK的實際應用情況。

網絡RTK VRS技術 定位原理 精度分析 應用與體會

1 引言

GPS技術的發展，帶來了測繪方式的革命性變化，實時動態定位（GPS RTK）技術的應用，則使GPS的應用由面（控制）及點（工程點），由宏觀的區域控制達到了微觀的細部點測繪。但由于GPS RTK定位技術是基于一種單基站的載波相位實時差分定位技術，參考站需將自身所獲得的載波相位觀測值及站點坐標，通過電臺或手機模塊等數據通信鏈實時傳送到周圍的流動站，流動站再根據自身獲得觀測值以及參考站傳來的數據通過數據處理軟件求得自己的瞬時絕對位置，這種定位方法存在以下一些不足和局限性[1]。

（1）用戶需要架設本地參考站，每次實施外業測量前，都需要架設與設置參考站；

（2）誤差隨距離增加而增加。RTK利用GPS中對流層改正，電離層改正，軌道改正的空間相關性，應用差分技術消除或減弱。但隨著距離的增加，這些誤差的相關性減弱，使得差分技術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，對流層、電離層以及軌道改正的空間相關性減弱，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作業的局限性和不足，增強可靠性、延長作業距離、提高測量精度，網絡RTK就應運而生了。

2、網絡RTK概念及工作原理

網絡RTK（Network RTK）是指在一定區域內建立多個參考站,對該地區構成網狀覆蓋，并進行連續跟蹤觀測，通過這些站點組成衛星定位觀測值的網絡解算，獲取覆蓋該地區和該時間段的RTK改正參數，用于該區域內RTK測量用戶進行實時RTK改正的定位方式。

2.1 VRS技術

VRS（virtual reference station）技術 ，又稱為虛擬參考站。它是網絡RTK的核心技術。與常規RTK不同，VRS網絡中，各固定參考站不直接向移動用戶發送任何改正信息，而是將所有的原始數據通過數據通訊線發給控制中心。同時，移動站在工作前，先通過移動網絡（CDMA、GPRS等）與流動站通訊，向控制中心發送一個概略坐標， 控制中心收到這個位置信息后，根據用戶位置，由計算機自動選擇最佳的一組固定基準站，根據基站發來的信息，整體的改正GPS的軌道誤差、電離層、對流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號發給移動站。這個差分信號的效果相當于在移動站旁邊，生成一個虛擬的參考基站，從而解決了 RTK作業距離上的限制問題，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)原理圖

3、GPS RTK定位中的誤差

一般情況下，GPS定位中出現的各種誤差從誤差源來講大體可以分為以下幾類：與衛星有關的誤差、與信號傳播有關的誤差、接收機本身的誤差、軟件解算誤差、對中（對點）誤差、基站坐標傳算誤差，不同時刻衛星狀態和觀測條件引起的誤差等。

與衛星有關的誤差包括衛星星歷誤差、衛星鐘的鐘誤差和相對論效應；與信號傳播有關的誤差包括電離層延遲、對流層延遲和多路徑效應；與接收機有關的誤差主要包括接收機鐘的鐘誤差和接收機的測量噪聲等[2]。

4、網絡RTK定位中消除和減弱誤差源的主要方法

網絡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，網絡RTK主要采用了以下幾個方法：

（1）建立區域改正模型。網絡RTK中的VRS技術模型是建立在連續運行參考站網基礎之上的，系統根據連續采集所有參考站接收機的觀測數據計算、建立區域誤差改正模型，實時產生局部區域改正數據，整體改正GPS的軌道誤差、電離層和對流層等誤差。

（2）生成虛擬參考站，差分解算。系統根據移動站概略位置信息，在移動站附近產生虛擬參考站，利用誤差在觀測值之間的相關性，移動站在進行差分定位。

（3）高精度的參考站坐標。利用高精度的參考站坐標，實時計算區域誤差改正模型和產生虛擬參考站，減弱由于基準站誤差而引起的移動站定位誤差。

5、網絡RTK的誤差評定標準

對網絡RTK精度的評定，通常是以系統的內附合精度和外附合精度兩方面來進行的。它反映的是流動站在真實作業條件下，利用系統播發的網絡差分改正信息，可以得到的RTK實時定位精度。影響RTK實時定位測量精度的可能因素有測站可用衛星分布情況（可用衛星數和衛星分布）、通信質量狀況（是否能收到差分改正信息及延遲情況）、系統定位算法的優劣等。通過統計測試坐標的內符合精度和外符合精度，即可對系統定位精度作出評定。

5.1系統內附合精度的評定：

所有n個檢測點在三維分量上的內符合性精度的評定公式為：

5.2系統外附合精度的評定：

系統的外附合精度，是指利用測點的WGS-84坐標轉換成相應的地方坐標系下的坐標后，與該坐標系下的該測點已知值比較所得的結果。可用下式表示：，式中：是測量點采用轉換后的轉換值與已知值之差；

6、網絡RTK測量技術在嘉紹大橋的應用

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準，橋梁寬度為40.5m計算行車速度100km/h，荷載標準為公路-I級。主航道橋為獨柱型六塔斜拉橋，四索面分離鋼箱梁形式；北副航道橋為預應力混凝土連續剛構橋，上部結構為單箱雙室箱梁，下部結構為群樁基礎加實心墩；水中區引橋為預應力混凝土連續剛構橋，下部結構采用單樁獨柱結構；陸地區南、北兩側引橋為預應力混凝土連續箱梁，采用鉆孔灌注樁雙柱式墩。

6.2嘉紹大橋網絡RTK系統情況介紹

2009年下半年的一天，程瀚對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？當即表示可以幫其裝修。程瀚還讓其購買一臺電視機和一臺飲水機，許某某哪敢不照辦？公司前后花費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計交了59萬元房款。

為了做好嘉紹大橋的測量服務工作，保證大橋的順利貫通，業主專門建立了嘉紹大橋網絡RTK系統，分別在南北兩岸設置了統一的連續運行的GNSS參考站。24小時不間斷地發送CMR、CMR+數據格式的差分信息。流動站按測控中心的要求采用TSC2手簿和Trimble R8 GNSS雙頻接收機，手簿與接收機之間采用藍牙連接。

嘉紹大橋首級控制網及連續運行參考站(CROS)布置見圖2

圖2 嘉紹大橋首級控制網及連續運行參考站示意圖

6.3 嘉紹大橋網絡RTK系統的組成

嘉紹大橋網絡RTK系統主要由以下三部分組成：即控制中心、固定參考站、流動站。

（1）控制中心

控制中心是整個系統的核心，既是通訊控制中心，也是數據處理中心。它通過通訊線（光纜，ISDN、電話線等）與所有的固定參考站通訊；通過無線網絡與流動站通訊，由計算機實時系統控制整個系統運行。嘉紹大橋網絡RTK控制中心見圖3

圖3 嘉紹大橋網絡RTK控制中心

（2）固定參考站（連續運行的參考站）

固定參考站是固定的GPS接收系統，分布在整個網絡中，網絡中可包括無數個站，固定站與控制中心之間有通訊線相連，并將數據實時地傳送到控制中心。嘉紹大橋分別在南北兩岸設置了統一的連續運行的GNSS參考站。

（3）流動站

流動站由GNSS接收機與無線通訊的調制解調器組成。接收機通過無線網絡將自己的初始位置發給控制中心，并接收控制中心的差分信號，從而獲得高精度的定位服務。

6.4流動站系統配置過程

（1）求取坐標轉換參數。打開TSC2手簿，進入Trimble survey controller應用軟件，點測量→VRS→工地校正，正確輸入測控中心提供的大橋10個首級控制點和二個連續運行的GNSS參考站控制點的84坐標和大橋工程獨立坐標系坐標，求取坐標轉換參數。

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

（3）配置網絡連接。進入配置菜單→撥號簡表→連接名→網絡連接→GPRS→NTRIP用戶名→密碼→IP地址→IP端口。

6.5流動站操作流程

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

（2）流動站GNSS接收機保持穩定，進行初始化工作獲取RTK固定解。初始化時間視衛星狀況、觀測環境狀況及不同的接收機類型等可能會持續10～30 s不等。

（3）在待測點上得到固定解且穩定 2s鐘后，開始記錄數據，連續記錄三次結果（5s 采樣間隔）。

（4）取平均值作為該點的精確坐標。

（5）如果不能順利初始化，可移動流動站天線位置，選擇觀測條件好的地點進行初始化，然后返回移動到待測點上，按照步驟(3)進行觀測。

（6）作業過程中如果發生初始化丟失時，需要重新穩定進行初始化工作，直至得到RTK固定解為止，按照(3)、(4)步驟進行。

6.6嘉紹大橋網絡RTK的精度指標

嘉紹大橋網絡RTK采用Trimble R8 GNSS雙頻接收機，對流動站的作業精度進行了大量的測試驗證與分析，統計數據表明系統內符合精度平均為=± 1.62mm=±2.55mm=±7.75 mm；系統外符合精度平均為=2.8mm= 3.7mm= 14.8mm 完全滿足大橋施工放樣精度的需要。

6.7網絡RTK應用中應注意的幾個問題

通過網絡RTK在嘉紹大橋中的應用，總結出網絡RTK在網絡控制的范圍內，提高了精度，同時由于采用了多個參考站的數據進行平差處理，大大提高了成果的可靠性，但是網絡RTK還是會受到衛星信號、網絡通訊質量等因素等影響，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質量：

（1）網絡 RTK作業應避免雷雨天氣，夜間作業精度一般優天白天，根據每周的星歷預報中的衛星分布情況安排作業計劃。一般情況下要在接收衛星保持 6顆以上，PDOP(即精度因子)＜6時，才能進行作業[3]。

（2）施工放樣時，應先將儀器置于已知控制點上，將測得的數據與已知的成果比較，兩者的差異在限差內才能開始實際作業，在作業過程中也應注意對已知點的檢核。

（3）每個點位放樣結束后，要對放樣點位至少進行兩次初始化測量，以防粗差出現。多次觀測的成果較差符合要求則取平均值作業最終成果。

（4）雖然網絡 RTK作業方法簡單，對作業人員的技術要求不高，但是要求作業人員的責任心要強，測桿上的水準器必須定期嚴格校正，天線高必須準確讀取輸入，輸入已知點坐標和坐標轉換參數必須認真仔細地校核，以防系統誤差和粗差產生。

（5）根據工程需要，也可采用全站儀和水準儀抽檢網絡RTK所測設的平面、高程成果。

6.8網絡RTK在嘉紹大橋應用中的一點體會：

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

（2）虛擬參考站與流動站所受到的誤差間的相關性好，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，將直接導致流動站測量成果出現粗差。在外業放樣及數據采集過程中，及時發現初始化錯誤并剔除粗差，可以采取以下方法：一個是對初始化時間進行控制，初始化時間較長，說明流動站觀測條件不好或有其他影響RTK初始化因素的存在，大量的檢測結果統計發現，一般初始化時間較短時，精度相應較高，數據質量可靠。另一個是多測回觀測。作業時，對同一個點進行多測回觀測（一測回即接收機重新初始化一次后的觀測），能有效發現初始化錯誤引起的粗差。

（3）目前國內大型橋梁工程一般都會分成若干個標段，在沒有網絡RTK時，各施工單位單打獨斗，測量手段五花八門，測量精度高低不一，給各標段的銜接施工帶來了一定的質量隱患。而在網絡RTK下，各標段的測量基準點是統一的，測量手法基本相同，精度均勻，免去了相鄰標段的銜接控制測量辛勞，提高了橋梁貫通的質量。

（4）運用網絡RTK，流動站初始化時間短、點位精度高、可靠性強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，常規測量儀器無法順利展開工作的難點。

7、結束語

網絡RTK在嘉紹跨江大橋的應用是成功的，為整個工程的順利建設提供了極大的便利。也為今后的大型橋梁工程提供了有益借鑒。網絡RTK是伴隨著空間定位技術、計算機技術、網絡通訊技術迅速發展起來的先進測量段和全新的測量理念。業內人士認為：未來5～10年，GPS網絡建設將高速發展，而VRS網絡RTK技術將代表著GPS目前發展的方向。

[1]黃俊華,陳文森.連續運行衛星定位綜合服務系統（CORS）建設與應用.科學出版社.2009.1

[2]李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理.武漢大學出版社.2005.3

[3]全球定位系統（GPS）測量規范 GB/T 18314-2009

U445

B

1007-6344（2015）03-0165-02

陳偉麟( 1986～)，助理工程師。