VRS网络RTK技术在打桩船海上打桩中的简易应用

VRS网络RTK技术在打桩船海上打桩中的简易应用

闫飞飞

天津港航工程有限公司天津市300456

摘要：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。

关键词：VRS网络RTK技术；打桩船；海上打桩；简易应用

1、海上打桩应用VRS网络RTK技术的组成和原理

1.1VRS系统简介

虚拟基准站VRS（VirtualReferenceStations）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。

1.2VRS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

所有基准站与控制中心相连接。控制中心的计算机运行GPS-NET数据处理软件。它是通讯控制和数据处理中心，也是系统核心，借助通讯线缆进行固定基准站通讯，借助无线网络进行移动用户通讯，主要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。

1.3VRS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。

图1VRS系统工作原理图

2、VRS网络RTK技术在打桩定位施工上的应用

2.1方案确定

2.1.1确定主机信号传输接口

打桩18号采用Trimble5700双频接收机两台作为流动站使用，主机接口面板如图2所示：

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。

图25700主机主机接口面板示意图

2.1.2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GNSSInternetRadio程序；

（3）利用笔记本电脑配备无线网卡实现无线通讯；

（4）配置USB口转串口的数据线，制作一分二的串口线，使得GPS差分信号可以通过一个串口分为两路提供给GPS接收机。串口使用RS232电气标准及协议，采用常用的9针串口（DB9），因通信距离＜12m，采用电缆线直接连接标准RS232端口，一个串口和多个串口相连，接收GPS数据只要使相连串口接收数据线与发送数据线相连，彼此交叉，信号地对应相接，经过试验确定，Trimble5700接收机通信方式对应9针串口，连接方式为2（ReceiveData）与3（TransmitData）直接相连。

2.2工艺要点和操作流程

2.2.1外接信号采集设备接入系统

采用笔记本电脑通过无线网卡发送当地概略位置，获取差分信息，笔记本电脑转换程序计算改正数据，通过一分二串口数据线连接32345数据线，将改正数据传输进GPS主机。具体方式参见实际接线图（图3）：

图3实际接线图

2.2.2实现VRS数据连接

（1）连接无线网卡，启动GNSSInternetRadio程序，进入主界面。

（2）程序参数设置。

点击Settings进入设置页面，COM-PortSetting即通讯设定诸参数为：接收端口COM1，波特率38400，数据位8，奇偶校验no，停止位1。SetGGA为概略位置设定，通常依据流动站具体地域大概位置，数据格式为d.d形式，即数据单位为度。

（3）点击Broadcaster，输入用户账户及密码连接VRS控制系统。

（4）点击START，等待解算，当程序出现蓝色进度条并显示传输比特流量，同时接收机主机显示接收到差分信号，说明VRS系统已经建立。

2.2.3打桩定位系统接收GGA格式数据

（1）两台接收机均解算出固定解，状态栏显示“RTKFixed”，此时完全建立VRS-RTK，数据可用，打桩定位系统采用定位信息指导沉桩定位。

（3）打桩船移动至预定位置，开始打桩施工，此时VRS系统信号稳定，GPS一直保持RTKFixed状态，系统工作正常。

3、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。

3.1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。

（2）VRS系统可以消除由于电离层效应和对流层效应引起的ppm（百万分之一）误差，或显著降低ppm误差，实际应用来看，系统控制范围大，几乎不存在受ppm影响，在VRS网络控制范围内，精度始终在±1-3cm。

3.2可靠性大幅度提高。

由于打桩船水上施工，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，RTK状态因整周未知数无法求出或解算错误，出现无Fixed固定解或固定解错误，极易造成“失锁”和“假锁”现象。造成打桩位置错误。VRS技术采用多基准站联合，具备“容错”功能，即如果某个基准站有误差，中央处理器会自动把它从网络中去除，并用其他站的数据进行补偿，从而确保精度和效率的可靠性。

4、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：

［1］周治雄等．ＧＰＳ虚拟参考站技术应用与探讨［Ｊ］．资源环境与工程．２００７（０６）．３１２－３１３．

［2］陈品祥，张凤录，陈廷武．北京市地理空间框架基准体系建设与应用［Ｊ］．北京测绘，２００８（０１）：１１－１２．

［3］ＤＢ１１／Ｔ：３３９－２００６．北京市工程测量技术规程［Ｓ］．北京：２００６．４．