ＧＰＳ衛(wèi)星定位技術(shù)在電網(wǎng)地下管線測量中的應(yīng)用

袁清芳　于希娟　師恩潔

[摘要]文章主要介紹了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在北京電網(wǎng)地下管線測量中的應(yīng)用，為進(jìn)一步了解該技術(shù)在地下管線測量的中應(yīng)用效果和測量時存在的問題，選擇了四個公司的GPS設(shè)備分別對5個由測繪院提供的已知點(diǎn)進(jìn)行測量比對試驗(yàn)，并總結(jié)出利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)測量電網(wǎng)地下管線測量過程中需要考慮的問題以及解決問題的相關(guān)建議。

[關(guān)鍵詞]電網(wǎng)地下管線GPS測量

O引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)水平的迅速發(fā)展、規(guī)模的擴(kuò)大以及城市現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，城市地下管網(wǎng)作為城市的生命線也變得越來越復(fù)雜，種類也越來越多。正是由于城市地下管網(wǎng)具有上述特點(diǎn)，使得地下管網(wǎng)的資料不全、埋深復(fù)雜，加之管網(wǎng)埋深于地下，存在一定的隱蔽性，從而給管網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)造成了很多困難。北京市電力公司為加強(qiáng)地下管線的規(guī)劃管理，建立并完善了地下管線資料，由于過去使用的是手工收集資料，繪制管線圖的方法不僅工作難度大，同時還會受到城市規(guī)劃施工過程的影響，很難滿足規(guī)劃和管理的實(shí)時要求。因此必須借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立地下管網(wǎng)GIS，實(shí)現(xiàn)從管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、建立數(shù)據(jù)庫到完成系統(tǒng)功能、輔助地下管網(wǎng)規(guī)劃管理全過程的操作。為了深化GIS系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)輸配電線路設(shè)備的精確定位，需采用先進(jìn)的測繪技術(shù)對全市輸配電線路設(shè)備進(jìn)行測量。

1 GPs測量原理簡介

1.1 GPS系統(tǒng)的原理

GPS定位屬于無線電定位范疇，24顆衛(wèi)星的任何時刻的坐標(biāo)都可以獲得，即任何一顆衛(wèi)星的任何時刻都可以視為已知控制點(diǎn)，對用戶而言，一般只需要關(guān)心GPS接收機(jī)的使用即可。用戶只需通過地面接收設(shè)備接收衛(wèi)星播發(fā)的信號，就能測定衛(wèi)星信號的傳播時間延遲或相位延遲，計(jì)算接收機(jī)到GPS衛(wèi)星間的距離(稱為偽距)，確定接受面位置及時間改正數(shù)。

1.2 GPS系統(tǒng)的測量方法與精度

GPS測量，按其定位時間通常分為靜態(tài)GPS測量和動態(tài)GPS測量。靜態(tài)GPS測量定位一個點(diǎn)，通常需要觀測1h左右，其測量精度可達(dá)到毫米級，而動態(tài)GPS測量定位一個點(diǎn)則只需1s甚至更短，其測量定位精度達(dá)到厘米級。GPS測量按其定位方式又可分為單機(jī)絕對定位和多機(jī)相對定位，單機(jī)絕對定位精度約為10m級，多機(jī)相對定位精度可達(dá)毫米級。靜態(tài)GPS測量目前主要用于高精度的平面控制測量。

目前經(jīng)常見到且大量使用的RTK測量設(shè)備即多機(jī)動態(tài)定位系統(tǒng)設(shè)備，其定位時間為：初始化幾分鐘后每1s定位一次，定位精度為厘米級。RTK系統(tǒng)由一臺基站GPS接收機(jī)和若干臺流動站GPS接收機(jī)加上數(shù)據(jù)鏈(通常是數(shù)字電臺)組成。基站GPS接收機(jī)通常安置在一個已有三維坐標(biāo)的控制點(diǎn)上，基站GPS接收機(jī)計(jì)算觀測值的改正量通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)時發(fā)送給流動站GPS接收機(jī)，流動站GPS接收機(jī)也進(jìn)行觀測值改正，從而得到較高精度的三維坐標(biāo)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線數(shù)字通訊技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了基于永久地面基站網(wǎng)絡(luò)的所謂網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)和設(shè)備，其原理與上述RTK相似，只是基站不同，網(wǎng)絡(luò)RTK覆蓋半徑大幅度擴(kuò)大(整個北京市行政區(qū)域)，提高了工作效率。RTK測量設(shè)備主要用于控制點(diǎn)加密測量和開闊地帶的地形測量。RTK工作原理示意圖如圖1所示。

2北京電網(wǎng)地下管線基礎(chǔ)測試環(huán)境

測試采用北京市信息辦已經(jīng)建成的北京市全球衛(wèi)星定位綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供的GPS差分服務(wù)覆蓋整個北京地區(qū)，系統(tǒng)由一個中心站，16個差分連續(xù)運(yùn)行觀測站，14個共享氣象GPS觀測站組成的連續(xù)觀測網(wǎng)。

北京市全球衛(wèi)星定位綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)基準(zhǔn)站分布圖見圖2。

系統(tǒng)主要包括：連續(xù)運(yùn)行的GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)、管理中心、監(jiān)測中心、服務(wù)中心和用戶子系統(tǒng)等五部分組成?；鶞?zhǔn)站系統(tǒng)負(fù)責(zé)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的提取、遠(yuǎn)程存儲、實(shí)時差分?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)系統(tǒng)主要功能發(fā)布后處理數(shù)據(jù)和實(shí)時差分信號，通過無線公網(wǎng)為移動用戶提供RTK／RTD服務(wù)，根據(jù)專網(wǎng)用戶的要求，向?qū)＞W(wǎng)用戶發(fā)布各類GPS原始數(shù)據(jù)。WEB服務(wù)器接受Internet用戶的請求，以各種不同的采樣頻率和時間間隔，提供觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并生成RINEX通用數(shù)據(jù)格式文件，通過瀏覽器方式下載到用戶計(jì)算機(jī)上。流動站用戶通過無線公網(wǎng)GSM或CDMA撥號到中心的專用調(diào)制解調(diào)器，以提取網(wǎng)絡(luò)RTKI作站上的差分?jǐn)?shù)據(jù)，用戶可以選擇接收網(wǎng)內(nèi)任何一個基準(zhǔn)站的差分信號。VRSI作站則為流動用戶提供虛擬的參考站差分信號。

北京市全球衛(wèi)星定位綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3。

3北京電網(wǎng)地下管線測量的基本要求

測量結(jié)果應(yīng)滿足以下方面的要求：

(1)市政管委在城市管線規(guī)劃管理方面的要求；

(2)北京市電力公司在電網(wǎng)布局的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、應(yīng)急搶險(xiǎn)等方面的要求；

(3)北京市電力公司下屬運(yùn)行管理、維護(hù)管理、電力設(shè)備監(jiān)控等方面的要求；

(4)為北京市電力資源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)空間信息和屬性信息方面的要求。

另一方面，由于歷史原因，北京電網(wǎng)地下管線存在兩種狀態(tài)：

(1)已經(jīng)施工完畢但卻沒有完整可靠的竣工資料的電力直埋管線、管道、管溝、電力隧道以及架空管線和其他相關(guān)設(shè)施，這些管線都需要進(jìn)行所謂的整測(即需要調(diào)查、探測、測繪其空間位置及屬性)；

(2)正在施工和將要施工的電力直埋管線、管道、管溝、電力隧道以及架空管線和其他相關(guān)設(shè)施，這些電力設(shè)備設(shè)施需要進(jìn)行所謂的竣工測繪(跟蹤施工進(jìn)程，覆土前測繪其空間位置和調(diào)查屬性)。這兩種測量狀態(tài)的差別主要是在管線設(shè)施的可見性上，前者大部分不可見需要通過調(diào)查探測獲得其位置、埋深及屬性數(shù)據(jù)，而后者則可見，可直接測量其空間位置并獲得其屬性。因而其實(shí)際能夠獲得的最終測量結(jié)果精度是有差別的。

對于探測和測量的精度要求應(yīng)能滿足電力應(yīng)用的具體需要：

(1)隱蔽管線特征點(diǎn)的探查精度為：平面位置中誤差不大于±0.1h，埋深中誤差不大于±0.15h。(h為特征點(diǎn)中心的埋設(shè)深度)。

(2)隧道特征點(diǎn)的測量精度為：平面位置中誤差不大于±5cm(相對于鄰近控制點(diǎn))，高程測量中誤差不大于±3cm(相對于鄰近控制點(diǎn))。

(3)管線特征點(diǎn)的測量精度為：平面位置中誤差不大于±5cm(相對于鄰近控制點(diǎn))，高程測量中誤差不大于±3cm(相對于鄰近控制點(diǎn))。

4GPS地下管線測量對比試驗(yàn)實(shí)例

為了進(jìn)一步了解GPS技術(shù)在地下管線測量的效果和存在的問題，特選擇四家GPS測量設(shè)備供應(yīng)商對北京市豐臺地區(qū)的5個由測繪院提供的已知點(diǎn)進(jìn)行測量比對，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得出各公司測試數(shù)據(jù)的東北坐標(biāo)表示方式，并與3個已知點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對比，如表1所示。

經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員使用專業(yè)的誤差計(jì)算方法得出四家廠商測量數(shù)據(jù)同標(biāo)準(zhǔn)值的誤差對比，圖4～圖6分別表

示為四家公司測量數(shù)據(jù)X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和高程誤差情況。

根據(jù)四家公司的測試所得出的經(jīng)緯度和高程的結(jié)果結(jié)合其使用的設(shè)備可得出如下結(jié)論：

(1)四家公司在對已知的五個點(diǎn)在經(jīng)緯度方面的測量結(jié)果基本接近。

(2)四家公司使用的測量設(shè)備均為RTK設(shè)備，都具有接受GPS和GLONASS兩種不同類型的衛(wèi)星信號的能力，其中公司四的設(shè)備要接受GLONASS衛(wèi)星信號需要另行開通這一功能。公司一、公司三和公司四均使用RTK一體機(jī)式測量設(shè)備，在擁有由北京測繪院提供的賬號登陸的前提下，通過VRS差分技術(shù)使用起來簡單、方便。公司三更是在公司本部(亦莊)建立有自己的VRS基準(zhǔn)站，在半徑20km范圍內(nèi)可以接受到自己提供的衛(wèi)星信號。而公司二測量使用的RTK設(shè)備為分體機(jī)式測量設(shè)備，在沒有得到北京測繪院提供的賬號登陸的條件下，可自行于測量范圍內(nèi)的制高點(diǎn)建設(shè)基準(zhǔn)站用來進(jìn)行高精度的測量，這使得其受環(huán)境影響大的缺點(diǎn)較為突出。

(3)四家公司使用手簿均采用WinCE系統(tǒng)，設(shè)備全部可以通過藍(lán)牙與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，公司三使用的手簿設(shè)計(jì)更為輕巧，其液晶屏幕技術(shù)含量較高，在強(qiáng)光照射下屏幕顯示相對其他廠商的設(shè)備更為清晰。公司四的手簿除能與本公司產(chǎn)品鏈接外，還能通過藍(lán)牙通訊技術(shù)與第三方設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)和數(shù)據(jù)共享。

(4)全站儀方面，公司二、公司三和公司四的全站儀都能夠?qū)崿F(xiàn)無棱鏡測量，對于拐點(diǎn)、角落等難以放置棱鏡位置的測量幫助極大。其中由以公司二的全站儀無棱鏡測距更遠(yuǎn)，可達(dá)到1200m距離。公司三和公司四的全站儀使用激光為一級安全激光，即對人眼無傷害的激光，在作業(yè)中能夠使事故發(fā)生的概率大為降低。

5北京電網(wǎng)地下管線測量過程中需要考慮的問題及建議

5.1測量過程中需要考慮的問題

(1)測量前應(yīng)先收集原有資料(如管線規(guī)格、型號、起終點(diǎn)等)，以便現(xiàn)場測量時進(jìn)行實(shí)地查詢，提高工作效率。

(2)測量前需要預(yù)先做好外業(yè)測量調(diào)查人員佩戴的工作標(biāo)識(作業(yè)證等)及人員的培訓(xùn)，否則會受到警察、老百姓、本區(qū)域不知情工作人員的干擾，影響工作進(jìn)度。

(3)變電站、配電室、隧道、住宅小區(qū)等場所的進(jìn)出需要提前與相關(guān)主管部門進(jìn)行協(xié)調(diào)配合(如隧道井遙控鎖開啟)。

(4)馬路作業(yè)和抽水作業(yè)時應(yīng)設(shè)置作業(yè)安全標(biāo)志設(shè)備及履行許可手續(xù)。

(5)測量工作開展前應(yīng)熟悉電力測量技術(shù)相關(guān)規(guī)范文件，做好培訓(xùn)工作。

(6)測量數(shù)據(jù)詳細(xì)程度應(yīng)與工作量匹配，同時數(shù)據(jù)信息的提供方式與格式應(yīng)有安全控制，并建立相應(yīng)的安全機(jī)制。

(7)測量時應(yīng)有必要的安全保障設(shè)備配置，以確保施工作業(yè)人員的人身安全。

5.2建議

首先，相關(guān)電力管理職能部門必須制定一個對電力資料檔案完善管理的制度，組成具有權(quán)威的監(jiān)督部門落實(shí)，這是做好電網(wǎng)地下管線測量工作的制度保障。

其次，在組織實(shí)施上，要確定電力測量由誰完成。有三種選擇：完全由電力公司自己完成；完全委托第三方完成；部分內(nèi)容由電力公司完成(資料審核及錄入)，部分內(nèi)容委托第三方完成(外業(yè)調(diào)查、探測、測繪數(shù)據(jù)整理)。三種選擇各有利弊，第一種選擇可解決一部分內(nèi)部職工安置，數(shù)據(jù)及信息安全比較容易保障，比較節(jié)省資金，各部門協(xié)調(diào)容易，但管理比較麻煩，同時要組建測量隊(duì)伍和購置設(shè)備，并需要對人員進(jìn)行培訓(xùn)，短時間內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)；第二種選擇在管理上比較省事，但需要比較多的資金支出；第三種選擇可能是現(xiàn)實(shí)的選擇，把非電力本行業(yè)的工作交給第三方專業(yè)部門做，既高效率又有質(zhì)量保障，而把主要精力放在設(shè)備運(yùn)行管理和信息更新及應(yīng)用上。

第三，技術(shù)上，要鼓勵采用先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行測量，保證高效率和高精度。