VRS网络RTK技术在打桩船海上打桩中的简易应用

孙栋　丁琦　韩帅

摘 要：该文简介了VRS系统的组成和原理，传统RTK技术不足和基站维护不便以及针对海上打桩施工的特定局限，以工程实例就VRS网络RTK技术在海上打桩中的简易应用，从系统组成、软硬件配置、实施效果评估等方面做简单分析和介绍。该技术不架设基准站和电台，初始化速度快，可靠性高，信号质量和精度满足施工要求；避免了单基站RTK技术海上应用导致的自身局限，基站维护保养，气象影响信号传输等劣势；消除或明显减少了ppm参数受海上环境的影响；适应性强，提高劳动生产率，降低生产成本。为今后如何更好的利用此项技术提供一点方法和借鉴，在海上打桩及其他施工应用前景广阔。

关键词：VRS 海上打桩 RTK GPS

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-0-04

RTK技术在水工行业中的成熟应用，使传统的打桩施工定位方式脱离了对于光学仪器和气象条件的依赖与限制，杭州湾跨海大桥等长距离离岸水域、外海大型项目桩基施工使打桩船施工范围和施工效率都产生了革命性发展。中交一航局第二工程有限公司打桩18号在前湾小港池码头改建工程中采用高精度网络RTK虚拟基准站VRS技术沉桩定位，该文就打桩船简易应用，从系统介绍、硬件配置、信息获取转换，数据提供等方面做简单分析和介绍，为今后更好利用这项技术及在水工施工中的特点和措施提供一点借鉴。

1 海上打桩应用VRS网络RTK技术的组成和原理

1.1 VRS系统简介

虚拟基准站VRS（Virtual Reference Stations）技术集网络管理、无线通讯和GPS定位技术于一身，利用固定基准站数据对工作区域内误差进行模型化处理，生成一个靠近测量位置的“虚拟基准站”，向流动站接收机修正信息。

1.2 VRS系统组成

VRS系统由固定基准站、系统控制中心、用户部分、数据通信组成。

1.2.1 固定基准站

各固定基准站均匀分布在整个网络中构成基准站网，一般一个完整的VRS网络系统至少有3个已知的基准控制站，站与站之间的距离可达70km，通过长时间GPS静态相对定位等方法来确定基准站的精确坐标，再通过配备在基准站上的GPS接收机和数据通信设备，实时的将观测资料传送给数据处理中心。

1.2.2 系统控制中心

是通讯控制和数据处理中心，也是系统核心，使用GPS-NET数据处理软件。通过通讯线缆与固定基准站通讯，通过无线网络移动用户通讯。负责数据质量分析与评价，数据综合、分流和存储、差分改正数据的计算等数据处理，还负责系统监控、信息服务和网络管理。

1.2.3 用户部分

用户部分就是具备无线通讯用户的接收机，配以船舶车辆等不同载体，通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息。

1.2.4 实时数据通信网络

GPS流动站向运行GPS-NET的控制中心发送其概略位置，通过无线网络链接发送标准的NEMA位置信息。控制中心接收此信息并进行误差计算，重新向流动站发送改正过的RTCM信息。

1.3 VRS系统海上打桩工作原理

VRS 系统相当于在流动站附近建立一个距离流动站很近，一般仅有数米至数十米的虚拟的基准站，根据各基准站的实际观测值计算出该虚拟基准站上的虚拟观测值，用户采用常规RTK技术进行实时相对定位，解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。

具体工作原理如图1所示，其步骤如下。

（1）VRS网络中，各固定基准站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心；

（2）打桩船工作前，首先通过GSM无线网络制中心发送一个概略坐标；

（3）控制中心收到位置信息，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，整体改正GPS的轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误差；

（4）控制中心将高精度的差分信号发给打桩船移动站。

（5）相当于在打桩船附近产生一个物理上不存在的基准站，构成短基线或超短基线差分，接收该基准站的差分信息进行定位。

2 传统RTK技术局限性和基准站维护困难

2.1 RTK技术自身局限

打桩船沉桩定位通常采用1台基准站配备2台流动站的“1+2”RTK方式完成，使用技术比较成熟。但RTK技术有一定局限性，主要有用户需要自行架设本地的基准站、误差随距离增长（ppm参数影响）、误差增长使流动站和基准站距离受到限制（<15km）、可靠性和可行性随距离降低等。

2.2 基准站维护困难，成本高

传统RTK作业必须首先在施工区附近建立一个控制点，然后在该控制点上架设基准站，基准站的看管维护方面存在诸多不便，成本较高。

2.2.1 基准站看护保管问题

打桩船使用的基准站至少由1臺GPS接收机、1台电台和其他附件组成，仪器自身价值昂贵，施工中基准站位置选取如何兼顾保管和看护，是目前打桩船GPS应用中比较难以解决的问题。

2.2.2 基准站供电问题

（1）基准站在施工中保持常开状态，施工现场临时供电造成时常停电，影响施工严重，通过逆变电源外接蓄电池保证供电，保养不便。如采用内置电池供电只能达到3～4 h，需专人监视操作且频繁充电放电影响电池寿命，维护所需人工和费用大。

（2）施工现场电压不稳定，极易造成电压波动烧毁主机、电台主板。根据使用经验，每船基准站配备稳压电源每年更换2～3台，花费较大。

2.2.3基准站发射天线架设和防雷击问题

（1）基准站与施工现场间的距离与差分信号发射天线架设高度成正比，距离越远，架设高度越高。理想的传送距离为：

（2）室外天线需接地或配备避雷装置防雷击，普通接地装置无法保证避雷效果，一旦遭受雷击会造成主机、电台主板烧毁，因为维修机器导致停工和花费。加设一般避雷装置影响发射效果，造成信号发送不稳定，专用装置则花费巨大。

2.3 打桩船应用RTK技术所产生的特定局限

2.3.1 作业模式老旧

RTK技术作业模式仍旧依靠逐级建立控制网点进行相关测量，准备施工的前期工作量很大，尤其是大型工程或者离岸距离很远的工程，作业前期控制网的选点、测设、解算、架站等工作花费时间近1周、人力物力消耗大。

2.3.2 匹配性差

参与施工的各类型船舶，各道工序配备的接收机型号或电台频点不同，则导致各自RTK作业不能兼容，必须各自设置基准站，造成重复建设和信号影响，因自设立精度不同，在不同工序的衔接上误差增大。

2.3.3 施工干扰大

为便于设备保管看护，各基准站的架设集中在项目办公场地，距离很近，受高频通讯、临时发电机组、发射天线相近、功率大小等原因产生干扰、假锁定、多路径效应等影响精度的情况，极易在施工中造成错误。

3 VRS网络RTK技术在打桩定位施工上的应用

3.1 方案确定

3.1.1确定主机信号传输接口

在采用常规RTK方式中，电台差分信号接收方式有两种：

（1）通过右下端接口接室外流动站天线电缆，通过内置电台将无线电信号转化为差分数据直接输入主机；

（2）利用外置电台先将室外无线电信号转化为差分数据，然后通过数据线接到右上端3号lemo接口，将差分数据输送入主机。

VRS系统中控制中心直接发送处理过的差分数据，采取方法（2）导入信号。

3.1.2确定简易数据采集方案

（1）接3号接口的数据线编码代号为32345（一端lemo接口，一端为串口），使用2条；

（2）数据转换程序利用厂家网站下载的免费试运行软件GNSS Internet Radio程序；

（3）利用笔记本电脑配备无线网卡实现无线通讯；

3.2 工艺要点和操作流程

3.2.1 外接信号采集设备接入系统

4 VRS技术实施效果

4.1 VRS技术实施效果

VRS系统经过实际应用有初始化速度快，标准偏差小，能够在相当远的距离上保证信号提供的高质量和高精确度，消除或明显减少了误差随距离增长的ppm参数影响。免除设立基准站的步骤，避免了传统基准站设置带来的常规RTK技术自身局限、基准站维护保养、续航供电、恶劣天气影响等劣势。

4.1.1 精度大幅度提高

（1）VRS通过固定基准站的观测数据通过连续传送至VRS中央服务器并对其质量检测，去除大的粗差并修正周跳，分析双差观测量来计算电离层误差、对流层误差和星历误差，系统误差能被明显剔除，能得到厘米级的精度。

4.1.2 可靠性大幅度提高。

4.1.3 使用经济

4.1.4 初始化速度快

实际应用中对初始化时间统计，50%以上能够在1.5 min内完成初始化，80%以上能够在5 min内完成初始化。比传统RTK方式初始化速度加快约三分之一。

4.2 实践中的改进措施

4.2.1 网络堵塞、掉线问题

打桩施工中出现开始观测固定解情况良好，但使用未完成出现网路堵塞，掉线等问题。经过分析发现，其中有很大部分原因是因为系统“容错”导致在重新运算过程中，数据量传输存在变动，不能使系统正常工作，产生堵塞、掉线。将笔记本电脑远离主控台，并防止电器干扰造成程序数据堵塞，问题得到较大改善。

4.2.2 初始化受部分时间段影响

中午前后在部分时间段卫星颗数能够达到观测要求，但初始化时间长，甚至不能初始化，这是因为受电离层干扰比较大，且打桩施船受海水面、甲板面等大面积水体和金属表面形成的反射多路径的影响、桩架遮挡使接收卫星信号的空间覆盖面减小等原因使得数据链传输受干扰和限制，在传输过程中衰减严重。尽量选择避开观测质量差的时段施工。

4.2.3 高頻信号源干扰易造成无线网卡断网掉线

船舶移动时，受到高频信号源的干扰和大功率电机启动时产生的磁场干扰等因素，无线网卡掉线频繁。在操纵室和船舶指挥的岗位旁安装与定位系统主机同步显示的显示器，最大限度减少高频电话的干扰，掉线情况好转很多。

4.2.4 串口连接线的制作必须保证屏蔽

在制作试验用一分二串口线时，数据通信的质量不稳定，出现乱码较多。经过线路排查，发现故障出现在自制一分二串口线接口处，简单将进出电源、信号的引脚连接好，其他的屏蔽措施没有做，导致经过主控台较多电器过程中受到干扰影响信号传输，改进屏蔽后问题解决。

5 结语

VRS网络技术的最大优势在于不必自身布网设站，作业时间不受限制，不必考虑控制网、基准站维护，实现全天候的可靠操作。经打桩实践证明，VRS网络RTK技术基本配置完全满足水工工程测量的基本要求，并有诸多优秀特点，同时也存在一些实际作业中的技术限制，我们采取针对性的适宜解决措施，提高工作效率，减少生产成本。这是国内首次将该技术应用在海上打桩施工中，对今后水工工程应用应用VRS技术起到实践和总结作用，代表着GPS应用技术发展的方向。

参考文献

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