GPS定位技術(shù)在燃氣工程測量的應用

摘 要

摘要：論述了燃氣工程測量內(nèi)容和要求，傳統(tǒng)的燃氣工程測量方法，GPS定位技術(shù)測量及其優(yōu)勢，網(wǎng)絡RTK技術(shù)在燃氣工程測量中的應用。關(guān)鍵詞：燃氣工程測量；GPS定位技術(shù)；實時動態(tài)(RTK)測量系
摘要：論述了燃氣工程測量內(nèi)容和要求，傳統(tǒng)的燃氣工程測量方法，GPS定位技術(shù)測量及其優(yōu)勢，網(wǎng)絡RTK技術(shù)在燃氣工程測量中的應用。
關(guān)鍵詞：燃氣工程測量；GPS定位技術(shù)；實時動態(tài)(RTK)測量系統(tǒng)；網(wǎng)絡RTK技術(shù)
Application of GPS Technology to Gas Engineering Measurement
WEI Quanming
Abstract：The content and requirements of gas engineering measurement，traditional gas engineering measurement method，GPS technology measurement and its advantages and application of real time kinematic(RTK)technology to gas engineering measurement are expounded.
Key words：gas engineering measurement；GPS technology；real time kinematic(RTK) measurement system；network RTK technology
1 概述
   燃氣工程測量主要是對埋地燃氣管道的測量，其內(nèi)容包括定線測量和竣工測量。定線測量主要依據(jù)地下燃氣管道施工圖，將設計的燃氣管道平面位置在現(xiàn)場放出，并確定高程控制點點開挖深度。燃氣工程竣工測量主要在覆土前對燃氣管道的起點、終點、坡度變化點、轉(zhuǎn)折點、閥門、三通、直線點(直線段兩點距離不大于50m)、管道附屬設備等管道節(jié)點進行平面和高程測量，出具測量報告和燃氣管道測量成果表。GPS定位技術(shù)出現(xiàn)后，主要用于精度要求不高、誤差在5～15m范圍的車載定位導航。近幾年隨著通信和網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展，GPS定位技術(shù)定位精度不斷提高，達到工程測量厘米級精度的要求，傳統(tǒng)的測量角度、距離、高程的測量方法，正在逐步被GPS定位測量的新技術(shù)替代，GPS定位技術(shù)在工程測量中開始了廣泛的應用。
2 燃氣工程測量技術(shù)要求
    CJJ 61—2003《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》對地下管線測量的精度要求為管線點平面中誤差(指測點相對于鄰近平面控制點)不應大于±5cm，管線點的高程中誤差(指測點相對于鄰近的高程控制點不大于±3cm。
3 傳統(tǒng)的燃氣工程測量方法
    傳統(tǒng)的測量方法是用測量儀器測量角度、距離、高差，然后進行相關(guān)的計算完成三維坐標測量的方法，傳統(tǒng)測量通常按從整體到局部、由高級到低級、先控制測量后管線節(jié)點狽4量原則進行作業(yè)。
    ① 建立測區(qū)基本控制網(wǎng)(點)
    根據(jù)作業(yè)任務和范圍，在測區(qū)內(nèi)選擇一定數(shù)量的具有控制作用的地面點，并在地面點建立固定的測量標志，用相應精度的儀器和觀測方法，測定這些點的平面位置和高程，建立測區(qū)內(nèi)統(tǒng)一的平面和高程控制網(wǎng)(點)，作為后續(xù)測量工作的基礎(chǔ)。這種按較高精度首先建立的一定數(shù)量的地面點叫做基本控制點。一般采用導線測量建立平面坐標，高程控制用水準測量或三角高程測量方法建立。深圳市已經(jīng)在全市范圍內(nèi)布設了城市一級導線，測區(qū)基本控制網(wǎng)在此基礎(chǔ)上布設二級或三級城市導線。
    ② 圖根控制測量
    測區(qū)內(nèi)按照上述方法建立的基本平面控制點和高程控制點的數(shù)量是有限的，其密度對燃氣工程測量節(jié)點是遠遠不夠的。在測區(qū)基本控制點之間增加一定數(shù)量的比測區(qū)基本控制點精度低一些的控制點，叫做圖根控制點。
   ③ 管道節(jié)點測量
    以測區(qū)內(nèi)圖根控制點為測量依據(jù)，進行燃氣工程管道施工測量或竣工測量，竣工測量與深圳市大比例尺等精度銜接。通常用全站儀(可以測量角度、距離并能計算坐標的儀器)完成管道節(jié)點的測量。
4 GPS定位技術(shù)測量
4.1 GPS系統(tǒng)的組成
   全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國國防部為其軍事需要而研制的全球性的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，由3大部分組成。
    ① 空間部分(GPS衛(wèi)星及其星座)
    由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星所組成，記作(21+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，每個軌道平面內(nèi)有4顆衛(wèi)星運行，距地面的平均高度為20200km。6個軌道平面相對于地球赤道面的傾角為55°，各軌道面之間交角為60°，每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90°，一個軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30°。當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)360°時，衛(wèi)星繞地球運行2圈，每12h環(huán)繞地球運行1周。觀測者至少能觀測到4顆衛(wèi)星，最多可觀測到11顆衛(wèi)星。
   ② 地面控制部分
   地面控制部分由1個設立在美國本土的主控站，3個分設在大西洋、印度洋、太平洋美國空軍基地上的注入站，5個分設在夏威夷、主控站、注入站的監(jiān)測站組成。
   ③ 用戶設備部分
   用戶設備主要是GPS信號接收機，該機是由天線、微處理機及其終端設備、電源等硬件和支持接收機硬件實現(xiàn)其功能、完成導航和定位的軟件組成。
    接收設備的主要功能就是測量GPS信號，獲取必要的信息和需要的觀測量，通過數(shù)據(jù)處理完成導航和定位任務。
4.2 GPS衛(wèi)星信號
    GPS衛(wèi)星發(fā)射頻率為1575.42MHz的L1和頻率為1227.60MHz的L2載波信號，在L1與L2上加載和傳送多種碼(現(xiàn)代數(shù)字通信中，普遍使用二進制數(shù)“0”和“1”及其組合來表示各種信息，稱其為碼)信號。
    ① C/A碼
    C/A碼的精度低，又稱為粗捕獲碼，碼的結(jié)構(gòu)是公開的，可供廣大用戶使用。
    ② P碼
    P碼結(jié)構(gòu)不公開，又稱為精碼，專供美國軍方及特許用戶使用。
    ③ GPS衛(wèi)星的導航電文(D碼)
    包含了有關(guān)衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘運行狀態(tài)、軌道攝動改正、大氣折射改正和由C/A碼捕獲P碼等導航信息的數(shù)據(jù)碼(D碼)。
4.3 GPS衛(wèi)星定位的基本原理
   GPS定位原理，就是用4顆衛(wèi)星來確定GPS接收機的位置。根據(jù)幾何知識，空間3個點就可以確定1個圓，兩個圓相交除了兩圓重合的特殊情況外，只有2個交點。地面GPS接收機通過接收衛(wèi)星信號確定3顆衛(wèi)星位置和到這3顆衛(wèi)星的距離后，就可以確定2個圓，其交點一個是3顆衛(wèi)星中中間的那一顆，另一點就是GPS接收機的位置。理想情況下觀測3顆衛(wèi)星就可以定位了，但衛(wèi)星信號存在一些無法避免的誤差，使定位精度降低，也會導致定位錯誤，為了校正定位誤差，保證定位有效，就需要多觀測1顆衛(wèi)星進行定位。也就是說GPS接收機能觀測到4顆衛(wèi)星，就能唯一確定GPS接收機所在的位置。
4.4 靜態(tài)定位與動態(tài)定位
   ① 靜態(tài)定位
   如果在定位時，接收機的天線在跟蹤GPS衛(wèi)星過程中，處于固定不動的靜止狀態(tài)，這種定位方式稱為靜態(tài)定位。由于接收機位置是固定在測站點上的，就可以進行大量重復觀測，高精度地測定GPS信號傳播時間，因此靜態(tài)定位可靠性強、定位精度高，是測量工程中精密定位的基本方式。靜態(tài)定位通常采用2臺(或2臺以上)GPS接收機，分別安置在一條或數(shù)條基線的兩端，同步觀測4顆以上衛(wèi)星，每時段根據(jù)測量等級和基線長度確定相應的觀測時間。通常觀測點可以達到±(5+1×10-6D)mm的定位精度，D為基線的長度(單位為km)，觀測結(jié)束后進行專門的數(shù)據(jù)處理才能得到精確的成果。
   ② 動態(tài)定位
   如果接收機位于運動著的載體，實時測定GPS信號接收機的瞬間位置，這種定位方式叫做動態(tài)定位。和靜態(tài)定位相比，動態(tài)定位GPS接收機在野外觀測點能實時測出天線的位置，不需要測后專門的數(shù)據(jù)處理，其定位精度比靜態(tài)精度要低。
4.5 RTK與網(wǎng)絡RTK
   ① RTK技術(shù)
   實時動態(tài)(Real Time Kinematic，RTK)測量系統(tǒng)屬于動態(tài)定位，RTK出現(xiàn)以前的GPS測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級精度，而RTK在野外能夠?qū)崟r得到厘米級的定位精度。其工作原理是在測區(qū)高處安置一臺GPS接收機作為基準站，另一臺或幾臺接收機置于觀測點(稱為流動站)，基準站和流動站同時接收同時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號?；鶞收舅@得的觀測值與已知位置對比，得到GPS差分改正值，將改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈及時傳遞給對應流動站，修正其GPS觀測值，流動站得到差分改正后較準確的實時位置。
   ② 網(wǎng)絡RTK技術(shù)
   網(wǎng)絡RTK技術(shù)實際上是一種多基準站技術(shù)，將多個參考站(固定基準站)數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，該方法集Internet技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡管理和GPS定位技術(shù)為一體的系統(tǒng)，包括通信控制中心、參考站、流動站部分。
    網(wǎng)絡RTK技術(shù)系統(tǒng)類型主要有美國天寶公司的VRS(Visual Reference Station)、瑞士萊卡公司的MAX、日本拓普康公司的TOPnet、中國華測公司的APIS等。
    ③ 深圳SZCORS系統(tǒng)
    深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)(Shenzhen Continuously Operating Reference Stations System，簡稱SZCORS)，采用美國天寶公司VRS網(wǎng)絡RTK技術(shù)，在深圳市設置5個連續(xù)運行GPS參考站，參考站間平均距離為25km左右，通信控制中心將5個參考站的數(shù)據(jù)聯(lián)合處理后，實時向各流動站提供經(jīng)過檢驗的觀測值、差分改正值，改正流動站GPS觀測值，使其達到厘米級實時定位精度要求，是我國第一個連續(xù)運行參考站系統(tǒng)。2001年9月建成并投入試驗和試運行，全天候地向深圳地區(qū)流動站提供服務。由于厘米級實時定位達到燃氣工程測量要求，因此SZCORS系統(tǒng)在燃氣工程測量中開始應用。
5 GPS定位技術(shù)與傳統(tǒng)測量對比
    由于我們在燃氣工程測量中主要使用網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)，因此對比主要是工程測量中網(wǎng)絡RTK與傳統(tǒng)測量的對比。網(wǎng)絡RTK有以下優(yōu)勢。
    ① 直接測出燃氣節(jié)點的三維坐標
    傳統(tǒng)測量是用測量儀器進行角度、距離、高差測量并記錄、計算、整理得出某一點的坐標x，y，z，也就是測量成果，定線測量也是在實地用儀器將設計坐標通過角度和距離定出。
    網(wǎng)絡RTK定位測量，流動站只需要購置一臺動態(tài)GPS接收機，其國產(chǎn)接收機價格(3～4)×104元左右，進口接收機價格(8～10)×104元左右，在深圳市國土局開戶申請購買SZCORS卡并安裝，開戶費用為1000元左右，并按數(shù)據(jù)流量收取費用。流動站由GPS接收機、對中桿、RTK電子手簿組成。接收機是將天線、微處理機、電源、通信模塊合為一體的裝置，對中桿上部連接接收機，底部與地面測量點接觸對中，接收機與RTK電子手簿通過藍牙無線連接或數(shù)據(jù)通信線連接。一個人操作一臺GPS接收機，讀取天線高度并錄入電子手簿，對中桿和地面點接觸對中，進入SZCORS模式下，通過操作電子手簿完成觀測。在一個測區(qū)范圍外分別在深圳市城市控制網(wǎng)3個一級導線點(測區(qū)附近)上觀測，并將觀測的WGS84(美國國防部研究確定的大地坐標系)的坐標與深圳獨立坐標相對應，電子手簿自動換算出兩個坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將WGS84坐標轉(zhuǎn)換為深圳坐標，這樣用流動站的GPS接收機觀測后就直接顯示出燃氣節(jié)點的3維深圳獨立坐標。若到另一個測區(qū)，重新按上述方法求轉(zhuǎn)換參數(shù)，操作比較簡便，自動化程度高。
    ② 測量速度快、用時少
    無論是定線測量還是竣工測量，采用網(wǎng)絡RTK測量方法，在測區(qū)直接測出燃氣工程節(jié)點的坐標和高程，比常規(guī)測量用全站儀進行施工測量和竣工測量時燃氣節(jié)點數(shù)據(jù)的采集速度大幅提高。通常情況下一個燃氣特征點測量30s完成數(shù)據(jù)采集，圖根控制測量只需要觀測時間大于3min就可以完成。無論節(jié)點的測量還是圖根控制測量，只要一個人操作一臺接收機就可以完成。傳統(tǒng)測量需要兩位立標桿人員和一位儀器操作員共3個人，操作員在測站操作儀器并和立標桿人配合，平均約2min完成一個燃氣節(jié)點的測量，完成一個圖根控制測量的平均時間是10min左右。網(wǎng)絡RTK測量用的時間比采用傳統(tǒng)測量方法用的時間少。
    ③ 工作量少、效率高
    網(wǎng)絡RTK觀測不受天氣因素的影響，可以進行全天候作業(yè)，一個人用一臺接收機就可以完成網(wǎng)絡RTK直接測量燃氣節(jié)點，減少了測區(qū)基本控制和圖根控制測量，相應減少了工作量；減少在測區(qū)周圍尋找大量的控制點；其余工作由接收機自動完成，減少了許多工作量和降低勞動強度；傳統(tǒng)測量是兩人在測點立標桿，另一人在測站操作儀器進行觀測，共需要3個人才能完成任務，而網(wǎng)絡RTK只需要一個人就可以完成。由于以上原因，原來一個測區(qū)的工作需要3d完成，用網(wǎng)絡RTK測量通常只需要1d就可以完成任務，燃氣工程測量效率大幅度提高。
   ④ 無累計誤差
   RTK網(wǎng)絡覆蓋全市范圍，在深圳GPS測量的成果精度均等，而傳統(tǒng)測量由整體到局部分級測量，存在累計誤差。GPS測量消除了傳統(tǒng)測量的誤差累計，提高了成果精度，測量精度有保障。以天寶5800GPS接收機為例，其標稱水平精度為±(1+1×10-6D)cm，垂直精度為±(2+1×10-6D)cm。實際觀測時，平面和高程誤差在電子手簿實時顯示，在平面誤差顯示為2cm，高程誤差為3cm時，就認為觀測結(jié)果合格，保存數(shù)據(jù)，觀測結(jié)束?？梢岳斫鉃榇苏`差是相對于城市一級導線的，燃氣工程要求誤差通常是相對于圖根控制點的，用移動站直接測量燃氣工程管道節(jié)點的坐標和高程，其精度比傳統(tǒng)測量的精度高，滿足城市測量規(guī)范對地下管線測量的精度要求。
    ⑤ 成本低
    一個人用一臺接收機就可以完成網(wǎng)絡RTK測量，傳統(tǒng)測量需要兩位立標桿人員和一位儀器操作員，人員由3人減為1人，人力成本減少。相對于傳統(tǒng)測量，減少了控制測量，相應費用減少，接收衛(wèi)星信號是免費的。工作效率大幅提高，測量時間較少，相應管理費用減少，測量成本比傳統(tǒng)測量低。
   ⑥ 可與常規(guī)測量配合使用
   在用網(wǎng)絡RTK進行管線測量時，有時可能衛(wèi)星信號被建筑物或樹等物體遮擋，流動站無法接收到衛(wèi)星信號，觀測無法進行。此時選擇在測區(qū)開闊信號好的地方，用網(wǎng)絡RTK方法建立圖根控制點，觀測時間大于3min就直接測出圖根控制點的坐標和高程，再用傳統(tǒng)的測量儀器進行燃氣施工與竣工測量。
    ⑦ 可與GIS配合使用
    深圳燃氣集團規(guī)定，對新的燃氣工程測量成果錄入GIS系統(tǒng)前，必須對燃氣工程測量成果進行復核。用網(wǎng)絡RTK在SZCORS模式對測量成果實地實時檢查，工作量少，效率高，勞動強度低，能較快地完成測量復核。燃氣管網(wǎng)接線點、搶修點等管網(wǎng)有變化的地方，直接用流動站觀測后，結(jié)果儲存在電子手簿中，并將管道節(jié)點位置和相關(guān)屬性傳輸回GIS系統(tǒng)修改相關(guān)數(shù)據(jù)，及時準確完成燃氣管道的數(shù)據(jù)變更。
6 結(jié)語
    和常規(guī)測量比較，網(wǎng)絡RTK實時動態(tài)定位技術(shù)以其速度快、精度高、成本低、效率高等特點，正在取代傳統(tǒng)的測量技術(shù)，在各個方面逐步開始應用。據(jù)報道，到2020年，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將發(fā)射5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，成為一個向全球提供服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。屆時，接收機可以同時接收北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)信號，成本更低，定位速度更快、精度更高，衛(wèi)星定位技術(shù)將有更廣泛的應用。
 
 
(本文作者：魏全明 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518172)