虚拟参考站技术在工程测量中的应用

[摘要]：虚拟参考站的出现是GPS定位技术的又一次比较大的技术突波，标志着高精度GPS的发展进人了一个新阶段。它所代表的是GPS的网络RTK技术。GPS网络RTK技术结束了以前GPS作业各自分散的局面，使一定区域内的测绘工作成为一个有机整体。文章着重介绍了网络RTK技术的相关工作原理以及在建筑工程施工测量中的作用。以求能进一步提高定位精度，扩大GPS的作业范围和应用领域，使得精度和可靠性有进一步的提高。

[关键词]： 虚拟参考站RTK工程测量 应用

引言

RTK是GPS应用中的最新技术，它是实时载波相位测量的简称。是以静态、快速静态、动态测量就能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，而不需要事后进行解算才能获得厘米级的精度。它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。总而言之，RTK是一种新的常用的GPS测量方法，是GPS应用的重大里程碑，在简要介绍网络RTK技术及其工作原理基础上，通过应用分析其技术优势。解析其在工程测量当中的应用。

1、 工作原理

在使用VRS网络时，各固定参考站并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发送给控制中心。移动用户在工作前，先通过GSM的短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心在收到这个位置信息后，便根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，整体地改正GPS的轨道误差以及电离层、对流层和大气折射引起的误差，再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，形成一个虚拟的参考基站，以保证用户精度要求。VRS系统是GPS实时动态定位技术和数据通讯处理技术等高科技的进一步发展，是一种GPS的多基站技术，它在数据处理上充分利用了多个参考站的联合数据的多基站算法。

VRS技求是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和GPS定位技术于一体的定位系统，由若干个连续运行的参考站，数据控制中心;接收机(用户)部分组成，其工作原理和流程如下：

1其分布在整个VRS网络中的个站，整个系统的个站数不得少于3个。目前站与站之间的距离可达70 km(传统高精度GPS网络，站间距离不过10-2 0k m)，固定站与控制中心之间通过通讯线相连。各参考站每天24小时不间断地进行观测，然后实时地将所观测到的数据通过Internet向控制制中心传输。

2．它是整个VRS系统的核心，它即是通讯控制中心，也是数据处理中心。控制中心一方面通过通讯线(光缆、ISDN或电话线)与所有固定参考站建立通讯;另一方面通过无线网络(GSM, CDMA或GPRS)与移动用户实现通讯。它依靠计算机实时系统来控制整个系统的运行，而控制中心软件GPSNET既是数据处理软件，也是系统管理软件。控制中心实时将所收集到的数据进行解算．得到参考站网内的载波相位整周模糊度值并建立误差模型，

3．移动站将单点定位确定的位置坐标．通过无线移动数据链路(如GPRS、CDMA)传送给数据控制中心．控制中心在移动站附近位置创建一个虚拟的参考站(VRS)．通过内插得到VRS上各误差影响的改正值，并通过NTRIP协议发送给移动站用户；

4．移动站与虚拟参考站(VRS)构成基线。移动站接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值。进行差分解算。使用户得到精确的定位成果。基拙地理信息采集以及提供广大用户服务的接收机部分它是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器，根据自己的不同需求，放置在不同的载体上，如汽车、飞机、农业机器、挖掘机等。当然，测量工作者也可以把它背在肩上进行作业。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收控制中心的差分信号，便可得到厘米级的位置信号即基础地理信息数据。

2、VRS网络的优点

在了解了网络RTK的工作原理并结合我们的工作实践．不难发现网络RTK较之常规RTK有着它特有的优势。

首先，从作业过程讲。由于我们所接收到的改正信息是由虚拟的VRS所发送．这样就无须再独立架设参考站，从而减少了仪器及人员的配备，降低了作业成本、提高了RTK作业的机动性与灵活性。而且由于虚拟参考站的出现．在作业过程中就节省了由于参考站与移动站距离过长而不得不进行换站的时间．从而提高了工作效率：

2.1作业精度高

VRS差分信号传播距离远，用户不必架设自己的基准站，大大扩展了RTK的作业距离。由于常规RTK作业的距离限制．因此当移动站超出参考站有效作用范围时，不得不进行换站以延长作业范围。这样就现了由于换站而出现的累计误差。而网络砌瞰在测区范围内距虚拟参考站总是在几米或者几十米，这样就无须进行搬站，所以也就避免了由于上述原因产生的累计误差。并且由于所有的测量点都是基于相同的“参考站”．所以就确保了测区精度均匀、稳定，实现了对整个测区的高精度控制；

2.1系统的可靠度高

网络RTK也要优于常规RTK系统．因为常规RTK系统的可靠性取决于单个参考站。一旦该参考站出现了问题(主要是人为原因、地理条件以及多路径效应等)。那么其覆盖的区域就会成为服务盲区．甚至可能是错误服务区。从而导致移动站在进行基线解算时出现错误(也就是通常所说的粗差)。影响系统的可靠性．对作业精度产生严重影响：而网络RTK方式，不是由独立参考站而是由整个GPS参考站网络来维护的．因此即便单个参考站出现问题也很容易被发现．不会导致数据被错误使用。从而有效的保证了系统的可靠性。

2.3应用范围广

采用GPS网络RTK技术建立VRS系统，完全满足国土规划整治、城市规划、市政管理、城市环境、公安消防、地籍测绘、控制测量以及各种工程建筑物放样等对测绘工作的要求.

3、利用RTK技术进行测量的优点

RTK技术在近几年逐步走向成熟并不断有新产品问世。其在工程测量中的优点主要体现在：①具有GPS测量所共有的特点，如全球适用，不受气候、时间影响，不需通视。②可实时获得具有厘米级精度的点位坐标。以往都是通过后处理来获得厘米级的点位坐标，实时处理大大提高了作业的效率，并且保证了数据的质量，同时扩大了GPS应用的领域，比如施工放样等。③可在运动过程中连续高精度采样。

由于RTK技术只能把测得的坐标显示在屏幕上，它不能如常规仪器(经纬仪、钢尺等)标定方向、测量距离，虽然可以把一些整桩、关系加桩预先算出其坐标，然后按坐标去放样，但中线测量和单纯的点位放样不同，因为在中线测量过程中还会遇到许多地形、地物等加桩，需根据现场确定出位于中线上的特征点并定出其里程。要解决这个问题可根据设计数据把线路显示在手持计算机上，在屏幕上注明整桩及曲线主点的桩位，对于临时地形、地物加桩由于整个线路中线已显示在屏幕上，通过与接收机的点位坐标的比较便可找到位于中线上的地形或地物加桩，其里程可按一定的算法算出。因此首先需要根据设计数据连续计算线路上各点在线路坐标系中的坐标。其次，GPS测量的结果是属于WGS-84坐标系的，要进行放样就需要把该结果转化到线路坐标系才能实时进行比较。另外，对于中线测量获得的结果需要进一步进行处理以获得中桩的高程。

4、在定测当中的应用

在线路初测时应首先建立控制网，一般应采用静态GPS定位技术建立首级控制，同时也建立了RTK作业的基准站网络，在沿线还应布设一些GPS水准点，以利于进行高程的转化。目前的RTK技术产品一般都具有坐标放样、直线及圆曲线测设等功能，因此能够进行定线工作。首先应在室内根据设计数据计算出各待定点的坐标，包括整桩、曲线主点、桥位等加桩，然后将这些数据送到手持机中，有了坐标以后在实测前还应作坐标转换参数的计算，以便把GPS测量结果转换到工程采用的坐标系统。有了转换参数便可在野外进行测设工作。定测的具体步骤如下：

(1)计算各待定点的坐标。根据线形设计数据及待定点的里程可计算出各整桩和加桩的设计坐标。可用已有的成熟软件进行计算。

(2)将测设点的坐标输入到手持机中。设计坐标数据可由一定的软件输送到手持机中，也可由人工直接在手持机上进行数据输入，但人工输入工作效率较慢且容易出错，不适合于大量点的输入。由于试验时的数据量较小，因此采用人工输入，试验结束后成功地进行了由软件传送数据的尝试。

(3)转换参数计算。首先确定采用哪些点进行转换参数的计算，这些点应具有线路坐标和WGS-84坐标，若没有WGS-84坐标，则可在野外利用RTK技术实时测得。在桩定线路时一般实时只考虑平面位置，可把平面和高程分开处理，平面采用平面转换的模型，后处理高程计算采用动态拟合模型。在各种RTK产品的手持机中一般都装有可进行转换参数计算的软件系统，试验时采用随机软件进行计算。

(4)野外实测。野外实测时基准站可设置于视野开阔的已知控制点上，试验时基准站设置于TN706，作好GPS接收机、数据链电台及电池等的连线工作，输入参考站的坐标及其它一些设置参数后，启动基准站设备进入工作状态，数据链不断地发射校正信息，此时移动站可开始工作。移动站应从另一已知点出发，即先验证已知坐标、转换参数及参考站设置的准确性，然后测设各整桩和加桩的位置，在每次作业的最后应再次回到已知点上检查是否与已知数据相符，以保证实测数据的质量。

通过对工程案例的分析可以看出虚拟参考站的作用。从北京至上海公路山东省化马湾至临沂段GPS加密网的计算可以看出：直线及曲线模型其拟合的误差较小，而平面、曲面其精度相对要差一些，这主要是由于线性工程本身的特点所决定的。对于线性带状工程其各GPS高程点的位置往往处于一条直线上，当各点位于同一直线上时，不能建立平面、曲面等面状拟合模型。这是由于当近似于直线时，其面状拟合模型具有较大的不稳定性，即当某点位置或高程有一些微小的变化时，拟合的结果极不稳定。线性模型只顾及了纵向高程异常的变化，而没有考虑横向的变化，对带状区域其拟合高程比面状模型稳定，适用于线性带状工程的GPS高程拟合。对于面状区域则应采用平面、曲面拟合模型。

结束语

RTK技术是GPS定位技术的一个新的里程碑，它不仅具有GPS技术的所有优点，而且可以实时获得观测结果及精度，大大地提高了作业效率并开拓了GPS新的应用领域。RTK技术将在道路初测、定测、施工测量、竣工测量等领域发挥巨大作用，将给现行测量手段及规范带来变革，当然RTK技术的应用还有待于一些问题的解决。比如它具有GPS定位的普遍问题，如信号遮挡、多路径效应等，另外它还有通讯问题，且目前RTK技术的价格还比较高，这些问题都会在一定程度上影响RTK技术的推广应用。

参考文献

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