基于VRS的网络RTK在嘉绍跨江大桥工程中的应用

陈伟麟

（中铁大桥局集团第四工程有限公司，江苏 南京）

基于VRS的网络RTK在嘉绍跨江大桥工程中的应用

陈伟麟

（中铁大桥局集团第四工程有限公司，江苏 南京）

随着全球卫星定位技术、现代计算机管理技术、数字通讯技术和互联网技术迅速发展，网络RTK技术已日益成熟，其应用的范围也日益扩大。本文叙述了网络RTK的定位原理以及消除和减弱GPS定位误差源的主要方法，并给合嘉绍跨江大桥工程的施工来介绍网络RTK的实际应用情况。

网络RTK VRS技术 定位原理 精度分析 应用与体会

1 引言

GPS技术的发展，带来了测绘方式的革命性变化，实时动态定位（GPS RTK）技术的应用，则使GPS的应用由面（控制）及点（工程点），由宏观的区域控制达到了微观的细部点测绘。但由于GPS RTK定位技术是基于一种单基站的载波相位实时差分定位技术，参考站需将自身所获得的载波相位观测值及站点坐标，通过电台或手机模块等数据通信链实时传送到周围的流动站，流动站再根据自身获得观测值以及参考站传来的数据通过数据处理软件求得自己的瞬时绝对位置，这种定位方法存在以下一些不足和局限性[1]。

（1）用户需要架设本地参考站，每次实施外业测量前，都需要架设与设置参考站；

（2）误差随距离增加而增加。RTK利用GPS中对流层改正，电离层改正，轨道改正的空间相关性，应用差分技术消除或减弱。但随着距离的增加，这些误差的相关性减弱，使得差分技术无法消除或减弱这些误差。

（3）可靠性随着距离增加而降低。随着距离的增加，对流层、电离层以及轨道改正的空间相关性减弱，差分后误差很大程度上仍然保留在观测值中，从而降低了成果的可靠性。

为了克服上述RTK作业的局限性和不足，增强可靠性、延长作业距离、提高测量精度，网络RTK就应运而生了。

2、网络RTK概念及工作原理

网络RTK（Network RTK）是指在一定区域内建立多个参考站,对该地区构成网状覆盖，并进行连续跟踪观测，通过这些站点组成卫星定位观测值的网络解算，获取覆盖该地区和该时间段的RTK改正参数，用于该区域内RTK测量用户进行实时RTK改正的定位方式。

2.1 VRS技术

VRS（virtual reference station）技术 ，又称为虚拟参考站。它是网络RTK的核心技术。与常规RTK不同，VRS网络中，各固定参考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。同时，移动站在工作前，先通过移动网络（CDMA、GPRS等）与流动站通讯，向控制中心发送一个概略坐标， 控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据基站发来的信息，整体的改正GPS的轨道误差、电离层、对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了 RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。VRS原理见图1

图1 VRS(虚拟参考站技术)原理图

3、GPS RTK定位中的误差

一般情况下，GPS定位中出现的各种误差从误差源来讲大体可以分为以下几类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、接收机本身的误差、软件解算误差、对中（对点）误差、基站坐标传算误差，不同时刻卫星状态和观测条件引起的误差等。

与卫星有关的误差包括卫星星历误差、卫星钟的钟误差和相对论效应；与信号传播有关的误差包括电离层延迟、对流层延迟和多路径效应；与接收机有关的误差主要包括接收机钟的钟误差和接收机的测量噪声等[2]。

4、网络RTK定位中消除和减弱误差源的主要方法

网络RTK定位同样受到GPS RTK定位各种误差的影响，为了有效消除和减弱上述误差影响，网络RTK主要采用了以下几个方法：

（1）建立区域改正模型。网络RTK中的VRS技术模型是建立在连续运行参考站网基础之上的，系统根据连续采集所有参考站接收机的观测数据计算、建立区域误差改正模型，实时产生局部区域改正数据，整体改正GPS的轨道误差、电离层和对流层等误差。

（2）生成虚拟参考站，差分解算。系统根据移动站概略位置信息，在移动站附近产生虚拟参考站，利用误差在观测值之间的相关性，移动站在进行差分定位。

（3）高精度的参考站坐标。利用高精度的参考站坐标，实时计算区域误差改正模型和产生虚拟参考站，减弱由于基准站误差而引起的移动站定位误差。

5、网络RTK的误差评定标准

对网络RTK精度的评定，通常是以系统的内附合精度和外附合精度两方面来进行的。它反映的是流动站在真实作业条件下，利用系统播发的网络差分改正信息，可以得到的RTK实时定位精度。影响RTK实时定位测量精度的可能因素有测站可用卫星分布情况（可用卫星数和卫星分布）、通信质量状况（是否能收到差分改正信息及延迟情况）、系统定位算法的优劣等。通过统计测试坐标的内符合精度和外符合精度，即可对系统定位精度作出评定。

5.1系统内附合精度的评定：

所有n个检测点在三维分量上的内符合性精度的评定公式为：

5.2系统外附合精度的评定：

系统的外附合精度，是指利用测点的WGS-84坐标转换成相应的地方坐标系下的坐标后，与该坐标系下的该测点已知值比较所得的结果。可用下式表示：，式中：是测量点采用转换后的转换值与已知值之差；

6、网络RTK测量技术在嘉绍大桥的应用

6.1工程简介：

嘉绍大桥是跨越天然屏障钱塘江的一座特大型桥梁，全长10.137公里，采用双向八车道高速公路标准，桥梁宽度为40.5m计算行车速度100km/h，荷载标准为公路-I级。主航道桥为独柱型六塔斜拉桥，四索面分离钢箱梁形式；北副航道桥为预应力混凝土连续刚构桥，上部结构为单箱双室箱梁，下部结构为群桩基础加实心墩；水中区引桥为预应力混凝土连续刚构桥，下部结构采用单桩独柱结构；陆地区南、北两侧引桥为预应力混凝土连续箱梁，采用钻孔灌注桩双柱式墩。

6.2嘉绍大桥网络RTK系统情况介绍

2009年下半年的一天，程瀚对许某某说其芜湖碧桂园房子要装修，许某某岂能不知这位程瀚局长的意思？当即表示可以帮其装修。程瀚还让其购买一台电视机和一台饮水机，许某某哪敢不照办？公司前后花费80多万元，而程瀚只是象征性地付了30万元。2010年，程瀚让许某某帮其买下望湖城的一套房子，许某某立马安排公司会计交了59万元房款。

为了做好嘉绍大桥的测量服务工作，保证大桥的顺利贯通，业主专门建立了嘉绍大桥网络RTK系统，分别在南北两岸设置了统一的连续运行的GNSS参考站。24小时不间断地发送CMR、CMR+数据格式的差分信息。流动站按测控中心的要求采用TSC2手簿和Trimble R8 GNSS双频接收机，手簿与接收机之间采用蓝牙连接。

嘉绍大桥首级控制网及连续运行参考站(CROS)布置见图2

图2 嘉绍大桥首级控制网及连续运行参考站示意图

6.3 嘉绍大桥网络RTK系统的组成

嘉绍大桥网络RTK系统主要由以下三部分组成：即控制中心、固定参考站、流动站。

（1）控制中心

控制中心是整个系统的核心，既是通讯控制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线（光缆，ISDN、电话线等）与所有的固定参考站通讯；通过无线网络与流动站通讯，由计算机实时系统控制整个系统运行。嘉绍大桥网络RTK控制中心见图3

图3 嘉绍大桥网络RTK控制中心

（2）固定参考站（连续运行的参考站）

固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，网络中可包括无数个站，固定站与控制中心之间有通讯线相连，并将数据实时地传送到控制中心。嘉绍大桥分别在南北两岸设置了统一的连续运行的GNSS参考站。

（3）流动站

流动站由GNSS接收机与无线通讯的调制解调器组成。接收机通过无线网络将自己的初始位置发给控制中心，并接收控制中心的差分信号，从而获得高精度的定位服务。

6.4流动站系统配置过程

（1）求取坐标转换参数。打开TSC2手簿，进入Trimble survey controller应用软件，点测量→VRS→工地校正，正确输入测控中心提供的大桥10个首级控制点和二个连续运行的GNSS参考站控制点的84坐标和大桥工程独立坐标系坐标，求取坐标转换参数。

（2）设置测量形式。进入配置菜单→测量形式→VRS，测量类型选RTK；播发格式选 CMR+；截止高度角设定为 10°PDOP限制为 6；天线类型选 R8 Model2/sps88x Internal；卫星跟踪选L2e,并勾选Glonass选项。

（3）配置网络连接。进入配置菜单→拨号简表→连接名→网络连接→GPRS→NTRIP用户名→密码→IP地址→IP端口。

6.5流动站操作流程

（1）打开TSC2手簿和R8 GNSS接收机，完成双方的蓝牙连接。将GPRS连接到控制中心网络。

（2）流动站GNSS接收机保持稳定，进行初始化工作获取RTK固定解。初始化时间视卫星状况、观测环境状况及不同的接收机类型等可能会持续10～30 s不等。

（3）在待测点上得到固定解且稳定 2s钟后，开始记录数据，连续记录三次结果（5s 采样间隔）。

（4）取平均值作为该点的精确坐标。

（5）如果不能顺利初始化，可移动流动站天线位置，选择观测条件好的地点进行初始化，然后返回移动到待测点上，按照步骤(3)进行观测。

（6）作业过程中如果发生初始化丢失时，需要重新稳定进行初始化工作，直至得到RTK固定解为止，按照(3)、(4)步骤进行。

6.6嘉绍大桥网络RTK的精度指标

嘉绍大桥网络RTK采用Trimble R8 GNSS双频接收机，对流动站的作业精度进行了大量的测试验证与分析，统计数据表明系统内符合精度平均为=± 1.62mm=±2.55mm=±7.75 mm；系统外符合精度平均为=2.8mm= 3.7mm= 14.8mm 完全满足大桥施工放样精度的需要。

6.7网络RTK应用中应注意的几个问题

通过网络RTK在嘉绍大桥中的应用，总结出网络RTK在网络控制的范围内，提高了精度，同时由于采用了多个参考站的数据进行平差处理，大大提高了成果的可靠性，但是网络RTK还是会受到卫星信号、网络通讯质量等因素等影响，因而仍存在一定的误差因素，必须采用一定的措施来保证其测设质量：

（1）网络 RTK作业应避免雷雨天气，夜间作业精度一般优天白天，根据每周的星历预报中的卫星分布情况安排作业计划。一般情况下要在接收卫星保持 6颗以上，PDOP(即精度因子)＜6时，才能进行作业[3]。

（2）施工放样时，应先将仪器置于已知控制点上，将测得的数据与已知的成果比较，两者的差异在限差内才能开始实际作业，在作业过程中也应注意对已知点的检核。

（3）每个点位放样结束后，要对放样点位至少进行两次初始化测量，以防粗差出现。多次观测的成果较差符合要求则取平均值作业最终成果。

（4）虽然网络 RTK作业方法简单，对作业人员的技术要求不高，但是要求作业人员的责任心要强，测杆上的水准器必须定期严格校正，天线高必须准确读取输入，输入已知点坐标和坐标转换参数必须认真仔细地校核，以防系统误差和粗差产生。

（5）根据工程需要，也可采用全站仪和水准仪抽检网络RTK所测设的平面、高程成果。

6.8网络RTK在嘉绍大桥应用中的一点体会：

（1）基于VRS的网络RTK技术，使大型桥梁施工测量进入了一个新的阶段。在VRS网络控制的范围内，1PPM（=1×10-6）的概念没有了。在VRS网络控制范围内，所有测量的精度是均匀的、独立的，其测设的精度均在 10mm以内，完全满足了大型桥梁工程各部位的施工放样作业。

（2）虚拟参考站与流动站所受到的误差间的相关性好，能较完善的得以消除，因而通常都能获得固定解。如果整周模糊度确定的不正确，将直接导致流动站测量成果出现粗差。在外业放样及数据采集过程中，及时发现初始化错误并剔除粗差，可以采取以下方法：一个是对初始化时间进行控制，初始化时间较长，说明流动站观测条件不好或有其他影响RTK初始化因素的存在，大量的检测结果统计发现，一般初始化时间较短时，精度相应较高，数据质量可靠。另一个是多测回观测。作业时，对同一个点进行多测回观测（一测回即接收机重新初始化一次后的观测），能有效发现初始化错误引起的粗差。

（3）目前国内大型桥梁工程一般都会分成若干个标段，在没有网络RTK时，各施工单位单打独斗，测量手段五花八门，测量精度高低不一，给各标段的衔接施工带来了一定的质量隐患。而在网络RTK下，各标段的测量基准点是统一的，测量手法基本相同，精度均匀，免去了相邻标段的衔接控制测量辛劳，提高了桥梁贯通的质量。

（4）运用网络RTK，流动站初始化时间短、点位精度高、可靠性强且基本上不受地域条件的限制，很好解决了大面积水域施工没有控制点，常规测量仪器无法顺利展开工作的难点。

7、结束语

网络RTK在嘉绍跨江大桥的应用是成功的，为整个工程的顺利建设提供了极大的便利。也为今后的大型桥梁工程提供了有益借鉴。网络RTK是伴随着空间定位技术、计算机技术、网络通讯技术迅速发展起来的先进测量段和全新的测量理念。业内人士认为：未来5～10年，GPS网络建设将高速发展，而VRS网络RTK技术将代表着GPS目前发展的方向。

[1]黄俊华,陈文森.连续运行卫星定位综合服务系统（CORS）建设与应用.科学出版社.2009.1

[2]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理.武汉大学出版社.2005.3

[3]全球定位系统（GPS）测量规范 GB/T 18314-2009

U445

B

1007-6344（2015）03-0165-02

陈伟麟( 1986～)，助理工程师。