GPS在長輸管道施工中的應(yīng)用

楊佳良 徐群成 張志東 高維明

（中國石油天然氣管道局 中緬油氣管道工程〈國內(nèi)段〉EPC項目部管道一公司施工分部，云南 曲靖 655000）

1 GPS全球定位系統(tǒng)的工作原理和使用方法

1.1 工作原理

1.1.1 RTK 的工作原理

RTK的工作原理是將一臺接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺或幾臺接收機(jī)置于載體（稱為流動站）上，基準(zhǔn)站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，基準(zhǔn)站所獲得的觀測值與已知位置信息進(jìn)行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個改正值通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及時傳遞給共視衛(wèi)星的流動站精化其GPS觀測值，從而得到經(jīng)差分改正后流動站較準(zhǔn)確的實時位置。

精密GPS定位均采用相對技術(shù)。無論是在幾點(diǎn)間進(jìn)行同步觀測的后處理(RTK)，還是從基準(zhǔn)站將改正值傳輸給流動站(DGPS)，這些都稱為相對技術(shù)，以采用值的類型為依據(jù)可分為4類：

1）實時差分GPS，其精度為1m～3m；

2）廣域?qū)崟r差分GPS，其精度為1m～2m；

3）精密時差分GPS，其精度為1cm～5cm；

4）實時精密時差分GPS，其精度為1cm～3cm。

差分的數(shù)據(jù)類型有偽距差分、坐標(biāo)差分和相位差分三類。前兩類定位誤差的相關(guān)性，會隨基準(zhǔn)站與流動站的空間距離的增加而迅速降低。故RTK采用第三類方法。

RTK的觀測模型為：

其中：

Φ——相位測量值，單位為m；

ρ——星站間的幾何距離；

c——光速；

dT——接收機(jī)鐘差；

dt——衛(wèi)星鐘差；

λ——載波相位波長；

N——整周未知數(shù)；

dtrop——對流層折射影響；

dion——電離層折射影響；

dpreal——相對論效應(yīng)；

ε（Φ）——觀測噪聲。

因軌道誤差、鐘差、電離層折射及對流層折射的影響在實際的數(shù)據(jù)處理中一般采用雙差觀測值方程來解算，在定位前需確定整周未知數(shù)，這一過程稱為動態(tài)定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。

1.1.2 RTK 的系統(tǒng)組成

我們以美國拓普康導(dǎo)航有限公司生產(chǎn)的TC2000雙頻接收機(jī)為例介紹RTK系統(tǒng)組成。

拓普康RTK系統(tǒng)由兩部分組成，如圖1所示。

1.1.3 RTK 系統(tǒng)基準(zhǔn)站的組成和作用

圖1 拓普康RTK系統(tǒng)組成

RTK系統(tǒng)基準(zhǔn)站由基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)及衛(wèi)星接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及發(fā)射天線、直流電源等組成，如圖2所示。

RTK系統(tǒng)基準(zhǔn)站的作用是求出GPS實時相位差分改正值，然后將改正值通過數(shù)傳電臺及時傳遞給流動站以精化其GPS觀測值，進(jìn)而得到更為精確的實時位置信息。

圖2 RTK系統(tǒng)基準(zhǔn)站的組成

GPS-RTK作業(yè)能否順利進(jìn)行，關(guān)鍵因素是無線電數(shù)據(jù)鏈的穩(wěn)定性和作用距離是否滿足要求。它與無線電數(shù)據(jù)鏈電臺本身的性能、發(fā)射天線類型、參考站的選址、設(shè)備架設(shè)情況以及無線電電磁環(huán)境等有關(guān)。

一般數(shù)據(jù)鏈電臺采用400MHz～480MHz高頻載波發(fā)送數(shù)據(jù)，而高頻無線電信號是沿直線傳播的，這就要求參考站發(fā)射天線和流動站接收天線之間沒有遮擋信號的障礙物。這些障礙物在陸地上主要是建筑物、樹林、無線電信號發(fā)射臺等，在海上則主要是地球曲率的影響。

為了盡量避免參考站設(shè)備之間的干擾，在GPS-RTK作業(yè)時，大于25W的數(shù)據(jù)鏈電臺的發(fā)射天線，應(yīng)距離GPS接收天線至少2m，最好在6m以上；發(fā)射天線與電臺的連接電纜必須展開，以免形成新的干擾源。

電臺所使用的頻率和電臺功率必須經(jīng)過國家和當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理部門批準(zhǔn)，使用時可能會受到某些限制。

RTK數(shù)據(jù)鏈無線電發(fā)射機(jī)（TRIMMRKⅡ）的工作頻率為UHF頻段（400MHz～480MHz），當(dāng)功率一定時，發(fā)射距離隨天線高度增加而增加。

1.1.4 RTK 流動站的組成和作用

圖3 RTK系統(tǒng)流動站的組成

流動站的UHF電臺接收基準(zhǔn)站的信號，同時也接收相同的衛(wèi)星信號，用配備的TSC1控制器進(jìn)行實時解算。

流動站數(shù)據(jù)鏈電臺的功率為2W，其電源和衛(wèi)星接收機(jī)共用，不需另配電池。

基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)與TRIMMRKⅡ電臺之間的數(shù)據(jù)傳輸波特率為38400，TRIMMRKⅡ電臺與流動站GPS接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸波特率為4800，流動站中的UHF數(shù)據(jù)鏈電臺與流動站GPS接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸波特率為38400（見圖3）。

為了保證流動站的測量精度和可靠性，應(yīng)在整個測區(qū)選擇高精度的控制點(diǎn)進(jìn)行檢測校對。選擇的控制點(diǎn)應(yīng)有代表性，并均勻地分布在整個測量區(qū)。

1）若基準(zhǔn)站安置在已知點(diǎn)上，則輸入已知點(diǎn)的坐標(biāo)要進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換（WGS—84轉(zhuǎn)換成BJ54或其他坐標(biāo)系）。

2）若基準(zhǔn)站安置在未知點(diǎn)上，（在城市測量中，有時為了控制更遠(yuǎn)和更大的范圍，根據(jù)RTK的特點(diǎn)，可將基準(zhǔn)站架設(shè)在沒有控制點(diǎn)的高樓頂上），在啟動基準(zhǔn)站時，則需輸入該點(diǎn)的WGS—84坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換（WGS—84轉(zhuǎn)換成BJ54或其他坐標(biāo)系）。

3）雖然RTK定位測量的基準(zhǔn)站可以不放在已知點(diǎn)上，但測量區(qū)內(nèi)必須有已知控制點(diǎn)，而且定位測量的精度和已知控制點(diǎn)的等級和個數(shù)有關(guān)。在放置好基準(zhǔn)站并啟動流動站后，用流動站分別到已知點(diǎn)上進(jìn)行定位測量，以求得該點(diǎn)坐標(biāo)，然后與該點(diǎn)的原有坐標(biāo)相比較，求出其差值，若差值很?。ǜ鶕?jù)工程性質(zhì)定），則不需改正，否則，必須輸入該點(diǎn)的原有坐標(biāo)。

1.2 RTK定位測量的使用方法

1.2.1 RTK 定位測量的準(zhǔn)備工作

RTK定位測量的準(zhǔn)備過程如下：

1）外業(yè)踏勘。

2）收集資料。

3）制訂觀測計劃。

4）星歷預(yù)報。

5）器材準(zhǔn)備：經(jīng)檢定合格的GPS接收機(jī) [基準(zhǔn)站+流動站 （含TSC1）]一套；12V/60A電源（含充電器），數(shù)據(jù)鏈電臺一套；手機(jī)或?qū)χv機(jī)（每臺GPS接收機(jī)上配一個）；每臺GPS接收機(jī)配觀測記錄手簿一本。

6）運(yùn)輸工具：自備汽車或租車。

1.2.2 RTK 的作業(yè)方法

1）架設(shè)基準(zhǔn)站

將基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)安置在開闊的地方，架設(shè)電臺和天線。

啟動基準(zhǔn)站，在TSC1控制器中進(jìn)行如下操作：

按on/off鍵，打開TSC1控制器，則其自動調(diào)用主菜單。

選擇Files(文件)來建立新工程如下：

⑴新建

⑵點(diǎn)擊“繼續(xù)”

⑶GPS+配置（點(diǎn)擊GPS+配置）

⑷編輯（點(diǎn)擊編輯）

⑸點(diǎn)擊繼續(xù)

⑹點(diǎn)擊繼續(xù)

⑺繼續(xù)

⑻繼續(xù)

⑼繼續(xù)

⑽繼續(xù)

⑾繼續(xù)

⒀繼續(xù)

⒁繼續(xù)

⒂繼續(xù)

⒃繼續(xù)

⑿繼續(xù)

⒄完成

⒅點(diǎn)擊繼續(xù)

⒆繼續(xù)

⒇繼續(xù)

(21)繼續(xù)

(22)點(diǎn)擊完成

2）啟動基準(zhǔn)站與流動站

打開基準(zhǔn)站與流動站電源開關(guān)，點(diǎn)擊TSC1控制器TopSURV（測量）圖標(biāo)，進(jìn)入測量方式菜單，用藍(lán)牙選中309（基準(zhǔn)站）與326（流動站）并依次進(jìn)行連接。

RTK測量時搜星數(shù)不能少于5顆；電臺圖標(biāo)中若兩個小燈交替閃亮，則表明無線電數(shù)據(jù)鏈已連接；“H”和“V”分別代表水平和高程精度；“PDOP”代表空間位置精度因子值；當(dāng)RTK=FIXED（固定解）時，初始化完畢，可以開始測量；當(dāng)RTK=float（浮點(diǎn)解）時，初始化不成功，必須等RTK=FIXED時方可測量。

3）開始測量

RTK測量一般有以下幾步操作：

⑴點(diǎn)測量。

⑵點(diǎn)放樣。

⑶線放樣。

2 使用GPS進(jìn)行長輸管道測量放線

2.1 前期準(zhǔn)備工作

2.1.1 根據(jù)設(shè)計代表交樁，將中線成果表導(dǎo)入手簿中。

2.1.2 進(jìn)行現(xiàn)場實地踏勘，找到2個以上控制點(diǎn)，并進(jìn)行地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.1.3 檢查和校驗GPS,根據(jù)現(xiàn)場實際情況，用2個以上精度較高的基準(zhǔn)樁對儀器進(jìn)行現(xiàn)場校驗。

2.1.4 準(zhǔn)備木樁、記號筆、自噴漆等物品。

2.2 測量放線

使用點(diǎn)放樣功能查找轉(zhuǎn)角樁，使用線放樣對2個轉(zhuǎn)角樁之間的線路進(jìn)行加密。

3 結(jié)束語

本文簡要介紹了RTK GPS技術(shù)在長輸管道上的應(yīng)用，該技術(shù)對管道三穿、困難段的位置及環(huán)境實現(xiàn)了可視化對比。對施工計劃部署、提高工作效率和降低工作成本起到了關(guān)鍵作用。