GPS测量在南方山地施工中的几项问题分析

2010-09-28吴鸿斌

测绘通报 2010年8期

关键词：流动站山地基准

吴鸿斌

(湘潭市第五物探大队,湖南湘潭 411104)

GPS测量在南方山地施工中的几项问题分析

吴鸿斌

(湘潭市第五物探大队,湖南湘潭 411104)

介绍 GPS测量在南方山地施工中的几项问题,结合实际工作中遇到的问题分析 GPS RTK的作业机理,探讨在南方山地施工中影响RTK测量的制约因素,并得出一些有益的结论。

RTK;整周模糊度;数据链;生产组织

一、引言

RTK(real time kinematic)定位是将一台 GPS接收机安装在已知点上对 GPS卫星进行观测,将采集的载波相位观测量调制到基准站电台的载波上,再通过基准站电台发射出去;流动站在对 GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时,也通过流动站电台接收由基准站电台发射的信号,经解调得到基准站的载波相位观测量;流动站的 GPS接收机再利用OTF(运动中求解整周模糊度)等技术由基准站的载波相位观测量和流动站的载波相位观测量来求解整周模糊度,最后求出流动站的位置。RTK可以应用于控制、放样、测图等工作,已涵盖大地测量、石油勘探测量、地形测量、地籍测量、航空摄影测量、GIS、设备控制、变形监测、精准农业、水上测量、环境应用等领域。RTK技术的关键在于数据处理和数据传输技术。在南方山地施工中影响 RTK测量的制约因素主要有三个方面：①求解起始的整周模糊度(初始化);②基准站与流动站间的数据传输;③合适的测量生产组织。笔者结合贵州黔中山地石油勘探测量作业对这三项关键技术问题进行初步的分析。

二、整周模糊度的确定

整周模糊度的确定,通俗的说法就是 RTK定位初始化,RTK一般采用星站差分观测值 (即双差),其观测方程为

式中,ΔΔ为双差因子。式 (1)模型采用差分的方式可以抵消星间误差、站间钟差,是 RTK主要的算法。目前应用最多的为OTF算法,它是在流动站近似坐标和协方差的基础上确定整周模糊度的搜索空间,在此空间内计算所有的可能模糊度解,然后通过比较最小方差选择最优解和次优解,最后确定整周模糊度。它能在 1 s内确定模糊度,对于失锁后再次锁定的问题处理将更快。经验认为,要确定整周模糊度,必须有适合的 PDOP值。笔者在 2006年度的黔中二维项目中,利用Ashtech Z-X GPS进行RTK作业时,就遇到下面的情况：设备捕获卫星数目虽然较多,但信噪比低。基准站与流动站均成功捕获 6颗以上卫星,无线电接收良好,但初始化时间较长。经检查发现,虽然有 6颗以上卫星,但有的卫星高度角低,且极不稳定,另外还有地形起伏大等不利因素,无线电信号容易失锁。经过多年野外实际作业经验发现,PDOP值越小,解算模糊度的速度就越快,精度就越可靠。

三、数据链通信传输

1.RTK数据传输采用 UHF波

RTK采用超短波进行差分数据传送。这个波段主要是超高频UHF与甚高频VHF波。UHF波长为 1～0.1 m,通常称为“分米波”。VHF波长为10～1m,通常称为“米波”。这两个波段广泛用于电视、调频广播、移动电话、传呼机、股票信息机、微波通信和雷达等设备,信道极为拥挤。这一波段的传播方式,主要是直线传播。当前的 RTK通信主要采用UHF波。Trimble5700 GPS的频段范围为 410～420MHz,共占有10MHz的频带;DSNP GPS的频段范围规定为 400～470MHz,共占有 70MHz的频带。频宽意味着信息容量大,应用更广泛。UHF的波长短,因此UHF天线长度比VHF天线更短,发射机天线更便于安装,小巧的天线便于野外作业。

2.RTK传输的距离

由于采用UHF波,传播的方式主要是空间波,即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。其穿透性强,直线传播性强,但易受障碍物、地形和地球曲率的影响。当使用 9 600 bit/s来传送数据时,每发送一组数据 (假设有 8颗卫星时)要占用0.7 s左右时间(发射时间会随卫星的多少而变化),因此基准站一般每秒传送一组 RTK改正数据。理想的传送距离为

式中,h1和 h2分别是基准站和流动站电台的天线高,单位为 m;D为数据链覆盖范围的半径,单位为 km。当然这是在无障碍物遮挡和无电波干扰的理想条件下的覆盖范围,实际应用中将会有较大的出入。

3.RTK数据传输的改进

在 RTK情况下,复杂、恶劣的传播条件是数据传输的特征,这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的。要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量,就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。总之,最佳通信系统 =最佳发射机 +最佳接收机 +最佳通信路径,研究 RTK数据链的性能必须三者综合考虑,才能将 RTK数据传输性能设置到最佳状态。为了增强通信能力,进行RTK测量时,可采取下列解决办法：

1)把RTK的基准站布设在RTK有效测区中央最高的控制点上;

2)提高基准站和流动站天线的架设高度;

3)使用高增益天线及高灵敏度接收机。

由于山地施工的地形起伏较大,同时许多地方树林密集,灌木丛生,陡崖峭壁众多,而 GPS数据的传输主要是直线传播,易受障碍物、地形和地球曲率的影响,在以上三项条件相同的情况下,最主要改进 RTK数据传输的办法如下：

1)缩短各点到基准站的距离,使其能满足“电磁波通视”,当基准站与流动站距离较远时,基准站必须搬迁。在山地施工中,信号的衰减较快,各种干扰因素多。例如各家通信公司的信号塔,高压电线产生的电流磁场,大面积水域产生的多路径效应等,都是 GPS RTK数据传输的主要干扰源。因而,在南方山地施工中,基准站和流动站的距离是越短越好。但是,在山地中每次搬迁基准站都需较长时间,在长期的生产作业中得出的结论是基准站每天只能搬迁一次,即在晚上收工时进行。如果基准站需要一天搬迁两次,将大大占用流动站的作业时间,最终的结果将是大大提高生产成本。

2)架设多个基准站的方法。比如用一个基准站控制 8个流动站,一个流动站需完成 2 km的工作量,这就需要一个基准站架在中间的情况下,单边也需控制8 km的信号。这对一个基准站(指在南方山地施工中)来说是很困难控制的;但在同样工作量的地方架设两个基准站,那么一个基准站只需控制 4 km的信号,大大缩短了基准站和流动站的距离,这种方法的好处是显而易见的。但是这种方法成本高,无论是设备成本还是生产成本都较高。架设多个基准站需多个 GPS控制点,加重了测量前期施工的工作量,而且需安排多人架设基准站。

3)架设中继站的方法。在地形、地物遮挡时,另增设中继站。中继站的主要功能就是减缓基准站信号的衰减,延长数据传输的距离。此方法在南方山地 RTK测量中是应用最广的,不仅成本低、操作简单,而且灵活方便。

四、测量施工的生产组织

南方山地测量施工有许多自身的特殊性,这主要取决于南方山区的地理、地形、气候、人文、民俗、交通等因素。测量作为地震分队的一个相对独立作业班组,也具有自身的特殊性,不管是从野外实地资料采集到内业资料处理,还是到质量控制等,都要求有一套较为完整的作业程序。经过 2006年黔中二维施工遇到的问题,笔者认为制约山地测量生产进度的最主要的几个因素如下：

1.与地震队沟通

正如上述,测量在地震分队中是一个相对独立的作业班组,这也就要求测量与地震分队的沟通显得尤为重要,测量作业时一般都在最前面,在野外作业时遇到的各种问题也是最先体验,这就要求测量的组织者要及时取得与地震分队领导的联系,反映生产中遇到的困难和问题,取得地震分队的支持,为地震分队的后续生产排忧解难。反之,也要求地震分队要及时下达各种生产指示。

2.日常施工任务的安排

在 2006年贵州黔中二维施工中,发现经常出现工作任务安排不合理的情况,从而导致影响生产进度的情况发生。在山地测量施工中,每个小组一般情况下可完成 3 km的工作量,但是在地形复杂地区,完成 1 km的工作量就是很好的结果了,甚至是几百米;而且所用的 GPS仪器又是 2002年采购的,老化情况较为严重,能控制的数据传输距离也大大缩短了,这就要求任务的安排更趋于合理。在施工中另一个突出的问题就是中继站的调度问题,GPS测量在山地施工中是一个整体配合作业的过程,也就要求野外组织者能及时灵活地调度中继站,顺利地完成当天工作。

3.测量补点

由于山地条件的复杂性,进而引起测量作业小组放样炮点的不合理因素也增多,其中炮点与障碍物的安全距离是山地测量放样最困惑的事情,特别是在地震队没有下达明确指示时最为困难。例如炮点距离房屋 50 m的情况下,该不该放样的问题,如果没有明确指示下,作业小组一般都会将其变观到 100m开外的安全距离地方。这样又导致了另一个问题,就是炮点变观过多,部分地区的面元叠次不够,影响地震资料,从而地震队要求测量补点。当然还有其他很多原因,如井班钻井时的移位、以炮补道等都会引起测量补点。

要避免在山地施工中的测量补点问题是很困难的,但可以采取一些措施来尽量减少补点。