GPS測量在南方山地施工中的幾項問題分析

吳鴻斌

(湘潭市第五物探大隊,湖南湘潭 411104)

GPS測量在南方山地施工中的幾項問題分析

吳鴻斌

(湘潭市第五物探大隊,湖南湘潭 411104)

介紹 GPS測量在南方山地施工中的幾項問題,結合實際工作中遇到的問題分析 GPS RTK的作業機理,探討在南方山地施工中影響RTK測量的制約因素,并得出一些有益的結論。

RTK;整周模糊度;數據鏈;生產組織

一、引 言

RTK(real time kinematic)定位是將一臺 GPS接收機安裝在已知點上對 GPS衛星進行觀測,將采集的載波相位觀測量調制到基準站電臺的載波上,再通過基準站電臺發射出去;流動站在對 GPS衛星進行觀測并采集載波相位觀測量的同時,也通過流動站電臺接收由基準站電臺發射的信號,經解調得到基準站的載波相位觀測量;流動站的 GPS接收機再利用OTF(運動中求解整周模糊度)等技術由基準站的載波相位觀測量和流動站的載波相位觀測量來求解整周模糊度,最后求出流動站的位置。RTK可以應用于控制、放樣、測圖等工作,已涵蓋大地測量、石油勘探測量、地形測量、地籍測量、航空攝影測量、GIS、設備控制、變形監測、精準農業、水上測量、環境應用等領域。RTK技術的關鍵在于數據處理和數據傳輸技術。在南方山地施工中影響 RTK測量的制約因素主要有三個方面：①求解起始的整周模糊度(初始化);②基準站與流動站間的數據傳輸;③合適的測量生產組織。筆者結合貴州黔中山地石油勘探測量作業對這三項關鍵技術問題進行初步的分析。

二、整周模糊度的確定

整周模糊度的確定,通俗的說法就是 RTK定位初始化,RTK一般采用星站差分觀測值 (即雙差),其觀測方程為

式中,ΔΔ為雙差因子。式 (1)模型采用差分的方式可以抵消星間誤差、站間鐘差,是 RTK主要的算法。目前應用最多的為OTF算法,它是在流動站近似坐標和協方差的基礎上確定整周模糊度的搜索空間,在此空間內計算所有的可能模糊度解,然后通過比較最小方差選擇最優解和次優解,最后確定整周模糊度。它能在 1 s內確定模糊度,對于失鎖后再次鎖定的問題處理將更快。經驗認為,要確定整周模糊度,必須有適合的 PDOP值。筆者在 2006年度的黔中二維項目中,利用Ashtech Z-X GPS進行RTK作業時,就遇到下面的情況：設備捕獲衛星數目雖然較多,但信噪比低。基準站與流動站均成功捕獲 6顆以上衛星,無線電接收良好,但初始化時間較長。經檢查發現,雖然有 6顆以上衛星,但有的衛星高度角低,且極不穩定,另外還有地形起伏大等不利因素,無線電信號容易失鎖。經過多年野外實際作業經驗發現,PDOP值越小,解算模糊度的速度就越快,精度就越可靠。

三、數據鏈通信傳輸

1.RTK數據傳輸采用 UHF波

RTK采用超短波進行差分數據傳送。這個波段主要是超高頻UHF與甚高頻VHF波。UHF波長為 1～0.1 m,通常稱為“分米波”。VHF波長為10～1m,通常稱為“米波”。這兩個波段廣泛用于電視、調頻廣播、移動電話、傳呼機、股票信息機、微波通信和雷達等設備,信道極為擁擠。這一波段的傳播方式,主要是直線傳播。當前的 RTK通信主要采用UHF波。Trimble5700 GPS的頻段范圍為 410～420MHz,共占有10MHz的頻帶;DSNP GPS的頻段范圍規定為 400～470MHz,共占有 70MHz的頻帶。頻寬意味著信息容量大,應用更廣泛。UHF的波長短,因此UHF天線長度比VHF天線更短,發射機天線更便于安裝,小巧的天線便于野外作業。

2.RTK傳輸的距離

由于采用UHF波,傳播的方式主要是空間波,即直射波、折射波、散射波以及它們的合成波。其穿透性強,直線傳播性強,但易受障礙物、地形和地球曲率的影響。當使用 9 600 bit/s來傳送數據時,每發送一組數據 (假設有 8顆衛星時)要占用0.7 s左右時間(發射時間會隨衛星的多少而變化),因此基準站一般每秒傳送一組 RTK改正數據。理想的傳送距離為

式中,h1和 h2分別是基準站和流動站電臺的天線高,單位為 m;D為數據鏈覆蓋范圍的半徑,單位為 km。當然這是在無障礙物遮擋和無電波干擾的理想條件下的覆蓋范圍,實際應用中將會有較大的出入。

3.RTK數據傳輸的改進

在 RTK情況下,復雜、惡劣的傳播條件是數據傳輸的特征,這是由在運動中進行無線通信這一方式本身所決定的。要在這樣的傳播條件下保持可以接受的傳輸質量,就必須采用各種技術措施來抵消衰落的不利影響。總之,最佳通信系統 =最佳發射機 +最佳接收機 +最佳通信路徑,研究 RTK數據鏈的性能必須三者綜合考慮,才能將 RTK數據傳輸性能設置到最佳狀態。為了增強通信能力,進行RTK測量時,可采取下列解決辦法：

1)把RTK的基準站布設在RTK有效測區中央最高的控制點上;

2)提高基準站和流動站天線的架設高度;

3)使用高增益天線及高靈敏度接收機。

由于山地施工的地形起伏較大,同時許多地方樹林密集,灌木叢生,陡崖峭壁眾多,而 GPS數據的傳輸主要是直線傳播,易受障礙物、地形和地球曲率的影響,在以上三項條件相同的情況下,最主要改進 RTK數據傳輸的辦法如下：

1)縮短各點到基準站的距離,使其能滿足“電磁波通視”,當基準站與流動站距離較遠時,基準站必須搬遷。在山地施工中,信號的衰減較快,各種干擾因素多。例如各家通信公司的信號塔,高壓電線產生的電流磁場,大面積水域產生的多路徑效應等,都是 GPS RTK數據傳輸的主要干擾源。因而,在南方山地施工中,基準站和流動站的距離是越短越好。但是,在山地中每次搬遷基準站都需較長時間,在長期的生產作業中得出的結論是基準站每天只能搬遷一次,即在晚上收工時進行。如果基準站需要一天搬遷兩次,將大大占用流動站的作業時間,最終的結果將是大大提高生產成本。

2)架設多個基準站的方法。比如用一個基準站控制 8個流動站,一個流動站需完成 2 km的工作量,這就需要一個基準站架在中間的情況下,單邊也需控制8 km的信號。這對一個基準站(指在南方山地施工中)來說是很困難控制的;但在同樣工作量的地方架設兩個基準站,那么一個基準站只需控制 4 km的信號,大大縮短了基準站和流動站的距離,這種方法的好處是顯而易見的。但是這種方法成本高,無論是設備成本還是生產成本都較高。架設多個基準站需多個 GPS控制點,加重了測量前期施工的工作量,而且需安排多人架設基準站。

3)架設中繼站的方法。在地形、地物遮擋時,另增設中繼站。中繼站的主要功能就是減緩基準站信號的衰減,延長數據傳輸的距離。此方法在南方山地 RTK測量中是應用最廣的,不僅成本低、操作簡單,而且靈活方便。

四、測量施工的生產組織

南方山地測量施工有許多自身的特殊性,這主要取決于南方山區的地理、地形、氣候、人文、民俗、交通等因素。測量作為地震分隊的一個相對獨立作業班組,也具有自身的特殊性,不管是從野外實地資料采集到內業資料處理,還是到質量控制等,都要求有一套較為完整的作業程序。經過 2006年黔中二維施工遇到的問題,筆者認為制約山地測量生產進度的最主要的幾個因素如下：

1.與地震隊溝通

正如上述,測量在地震分隊中是一個相對獨立的作業班組,這也就要求測量與地震分隊的溝通顯得尤為重要,測量作業時一般都在最前面,在野外作業時遇到的各種問題也是最先體驗,這就要求測量的組織者要及時取得與地震分隊領導的聯系,反映生產中遇到的困難和問題,取得地震分隊的支持,為地震分隊的后續生產排憂解難。反之,也要求地震分隊要及時下達各種生產指示。

2.日常施工任務的安排

在 2006年貴州黔中二維施工中,發現經常出現工作任務安排不合理的情況,從而導致影響生產進度的情況發生。在山地測量施工中,每個小組一般情況下可完成 3 km的工作量,但是在地形復雜地區,完成 1 km的工作量就是很好的結果了,甚至是幾百米;而且所用的 GPS儀器又是 2002年采購的,老化情況較為嚴重,能控制的數據傳輸距離也大大縮短了,這就要求任務的安排更趨于合理。在施工中另一個突出的問題就是中繼站的調度問題,GPS測量在山地施工中是一個整體配合作業的過程,也就要求野外組織者能及時靈活地調度中繼站,順利地完成當天工作。

3.測量補點

由于山地條件的復雜性,進而引起測量作業小組放樣炮點的不合理因素也增多,其中炮點與障礙物的安全距離是山地測量放樣最困惑的事情,特別是在地震隊沒有下達明確指示時最為困難。例如炮點距離房屋 50 m的情況下,該不該放樣的問題,如果沒有明確指示下,作業小組一般都會將其變觀到 100m開外的安全距離地方。這樣又導致了另一個問題,就是炮點變觀過多,部分地區的面元疊次不夠,影響地震資料,從而地震隊要求測量補點。當然還有其他很多原因,如井班鉆井時的移位、以炮補道等都會引起測量補點。

要避免在山地施工中的測量補點問題是很困難的,但可以采取一些措施來盡量減少補點。

五、GPS測量在南方山地施工中應注意的問題和對策

1)由于 RTK測量精度受衛星分布精度因子和數據鏈性能的影響,而且各個觀測值都是獨立觀測的,所以正式測量前必須聯測其他已知點,對測量結果進行對比,以判斷參考站和流動站各參數設置是否正確以及數據鏈通信是否正常,確保觀測成果的可靠性。

2)衛星信號傳輸在白天受電離層影響比較大,加之有時共用衛星數少,接收不到 5顆衛星,因而可能會出現初始化時間長,甚至不能初始化,以至無法進行測量的現象,所以使用 GPS RTK測量作業的時間應盡量避開中午這個時間段。

3)RTK數據傳輸鏈路容易受障礙物如山峰、丘陵的影響,解決這類問題,一是把基準站架設在測區中央的高點,如果實在沒有高點,可考慮搬站,將基準站搬到適時差分的有效作業范圍內;二是流動站利用加長桿把天線升高,增加接收信號強度,并及時充電避免電臺由于電量不足導致性能下降。

4)在控制點稀少或不容易到達的地方,為方便對 RTK測量成果進行檢核和避免出現作業盲點,應在測區內環境不良的地方增設一些控制點。

5)加強與地震隊的溝通和聯系,同時加強自身素質的培訓,通過多種途徑了解相關地震方面的知識和技術要求。

六、結束語

GPS RTK技術的使用,使得石油地震勘探中測量工作的生產方式與方法相對傳統的生產方式發生了根本性的變革,極大地促進了地震勘探行業測量工作技術的進步。在實際工作中應注意克服不利因素,揚長避短,因地制宜,制訂合理的作業方案,以達到事半功倍的效果。

[1] 張勤,李家權.全球定位系統 (GPS)測量原理及其數據處理基礎[M].西安：西安地圖出版社,2001.

On Some Issues of GPS Survey in Southern M ounta in Area

WU Hongbin

0494-0911(2010)08-0042-03

P228.4

B

2010-05-10

吳鴻斌(1976—),男,湖南桂陽人,工程師,主要從事石油物探工作。