GPS定位技術(shù)在油氣管道工程測(cè)量中的應(yīng)用

呂紅濤，趙鵬飛(中國石油天然氣管道工程有限公司 河北廊坊 065000)

一、引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，測(cè)繪行業(yè)飛速發(fā)展，全球定位系統(tǒng)（GPS）得到了廣泛的運(yùn)用， 而石油天然氣工程建設(shè)是我國較早使用這一先進(jìn)技術(shù)的行業(yè)之一。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，在石油行業(yè)中GPS 接收機(jī)的數(shù)量是最多的。 如今，全球定位系統(tǒng)在石油管道測(cè)量過程中是比較常見的，無論是國外還是國內(nèi)的大、中型項(xiàng)目都在使用這一技術(shù)，但是不同行業(yè)的單位都有相適應(yīng)的規(guī)范或技術(shù)規(guī)定，不是統(tǒng)一的要求，都是各自為戰(zhàn)、自成體系，導(dǎo)致很多大型工程不同標(biāo)段間的控制點(diǎn)精度難以統(tǒng)一， 給全線施工帶來了不必要的麻煩， 例如參建西氣東輸二線工程建設(shè)的從設(shè)計(jì)到施工的作業(yè)單位就有數(shù)十個(gè)， 他們?cè)诠こ痰慕ㄔO(shè)過程中都使用了全球定位系統(tǒng)，雖然在工程開工前對(duì)這一技術(shù)有所規(guī)定，但各單位使用的儀器和作業(yè)習(xí)慣各不相同， 產(chǎn)生了施工與設(shè)計(jì)的銜接困難和各標(biāo)段的銜接困難等問題。 與此同時(shí)，各作業(yè)單位在使用全球定位系統(tǒng)之前也都做了一些實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管道工程建設(shè)中熟練使用這一技術(shù)到了積極作用。

油氣管道工程屬于線形工程， 它的測(cè)量與放樣工作基本都處于一個(gè)狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)， 行業(yè)特征決定了它對(duì)精度的要求相對(duì)不高。 最近一二十年，由于城鎮(zhèn)規(guī)模的快速擴(kuò)張及人為損壞等一些原因， 我國水準(zhǔn)點(diǎn)以及三角點(diǎn)的完好率一般只在百分之十五左右，留下來的點(diǎn)位精度大多也不能滿足現(xiàn)行坐標(biāo)系統(tǒng)（CGCS2000坐標(biāo)系）下的規(guī)范要求。 近幾年國家等級(jí)GPS 控制點(diǎn)的建設(shè)，解決了工程首級(jí)控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)精度不高的大難題。 在油氣管道工程建設(shè)中，《油氣輸送管道測(cè)量規(guī)范》 中首級(jí)控制和線路控制為GPS D、E 兩個(gè)等級(jí)，其中D 級(jí)為國家等級(jí)點(diǎn)加密控制測(cè)量，E 級(jí)為線路控制測(cè)量。 在實(shí)際的操作過程中，如果發(fā)現(xiàn)沿線的國家等級(jí)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，就要在國家等級(jí)點(diǎn)下進(jìn)行加密控制測(cè)量， 緊接著在其下進(jìn)行線路控制測(cè)量，相反，如果沿線的國家等級(jí)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，就可以采用越級(jí)布設(shè)法，直接布設(shè)線路控制點(diǎn)。

二、GPS 定位技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）是有美國研發(fā)的，利用GPS 定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。 它將空間衛(wèi)星組的定位信息通過地面控制系統(tǒng)傳送給用戶接收設(shè)備， 修正后的定位精度可達(dá)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)[1]。

1、GPS靜態(tài)測(cè)量

控制網(wǎng)具有控制全局，限制測(cè)量誤差累積的作用，是各項(xiàng)測(cè)量工作的依據(jù)。 對(duì)于地形測(cè)圖， 等級(jí)控制是擴(kuò)展圖根控制的基礎(chǔ)， 以保證所測(cè)地形圖能互相拼接成為一個(gè)整體。 對(duì)于工程測(cè)量，常需布設(shè)專用控制網(wǎng)，作為施工放樣和變形觀測(cè)的依據(jù)。

油氣管道工程的控制測(cè)量主要為加密國家等級(jí)點(diǎn)測(cè)量和線路控制點(diǎn)測(cè)量。

（1） 加密國家等級(jí)點(diǎn)測(cè)量

對(duì)于那些要求要有采用國家坐標(biāo)的GPS 網(wǎng)來說， 聯(lián)測(cè)高級(jí)別的控制點(diǎn)是不可缺少的。 GPS 網(wǎng)提供的約束條件包括方位角條件、邊長(zhǎng)條件以及坐標(biāo)條件，所以至少要聯(lián)測(cè)兩個(gè)以上的國家大地點(diǎn)或GPS 控制點(diǎn)才行。根據(jù)近幾年國內(nèi)外的研究經(jīng)驗(yàn)可知，聯(lián)測(cè)3 至6 個(gè)分布合理、 精度較高的國家等級(jí)控制點(diǎn)是很有必要的。

在油氣管道工程測(cè)量中， 加密國家等級(jí)測(cè)量主要是針對(duì)大地點(diǎn)標(biāo)石破換嚴(yán)重、 國家大地點(diǎn)聯(lián)測(cè)較難或GPS 控制點(diǎn)過少等情況實(shí)施的， 是全球定位系統(tǒng)在油氣管道工程測(cè)量中的一個(gè)重要應(yīng)用。加密控制網(wǎng)按GPS D 級(jí)技術(shù)要求施測(cè)，沿線路按點(diǎn)對(duì)布設(shè)，構(gòu)成由四邊形或大地四邊形組成的帶狀網(wǎng)；點(diǎn)對(duì)見的距離為8km～15km，最長(zhǎng)不超過20km；組成點(diǎn)對(duì)的兩點(diǎn)間互相通視，其間距大于400m；線路的起終點(diǎn)、隧道兩端、大中型穿（跨）越以及大型場(chǎng)站等附近布設(shè)GPS 點(diǎn)對(duì)。 其中組成點(diǎn)對(duì)的兩點(diǎn)之間的距離要大于400m，最好不要小于300m，這主要是考慮了到導(dǎo)線聯(lián)合測(cè)量的方便性。聯(lián)測(cè)高等級(jí)GPS 點(diǎn)個(gè)數(shù)在3 個(gè)及以上時(shí)，要在網(wǎng)中均勻分布，特殊情況下聯(lián)測(cè)2 個(gè)時(shí)，要分布在網(wǎng)的兩段；聯(lián)測(cè)點(diǎn)的間距要小于100km。 外業(yè)施測(cè)前要驗(yàn)證聯(lián)測(cè)點(diǎn)的精度。

國家等級(jí)點(diǎn)加密控制點(diǎn)的高程現(xiàn)多采用GPS 擬合高程測(cè)量，GPS 擬合高程測(cè)量與GPS 平面控制測(cè)量同步進(jìn)行。對(duì)于地形平坦的小測(cè)區(qū)可采用平面擬合模型，對(duì)于路由高山地、山地、戈壁、沙漠、平原的大面積測(cè)區(qū)要采用曲面擬合模型，外業(yè)觀測(cè)采用靜態(tài)模式， 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理一般使用GPS 測(cè)量?jī)x器的配套軟件操作。

（2）線路控制測(cè)量

早期的管道工程線路控制測(cè)量常用附和導(dǎo)線測(cè)量方式施測(cè)，隨著GPS 測(cè)量技術(shù)的不斷完善與成熟，以及GPS 定位儀器價(jià)格的不斷下降， 用GPS 做線路控制測(cè)量成為目前各建設(shè)單位最青睞的選擇。 不同工程項(xiàng)目的線路測(cè)量技術(shù)要求有所不同，所以運(yùn)用GPS 定位測(cè)量時(shí)需要根據(jù)線路測(cè)量的要求布置控制點(diǎn)的密度。 通常情況下，平原地區(qū)的控制點(diǎn)間距控制在4km 左右；山區(qū)的間距控制在2km 左右。在按照線路布置控制點(diǎn)時(shí)，考慮到后期施工可能造成的破壞， 不宜將線路的中線轉(zhuǎn)點(diǎn)用于線路控制點(diǎn)，這一點(diǎn)與《油氣輸送管道測(cè)量規(guī)范》略有不同。

線路控制測(cè)量的外業(yè)觀測(cè)多采用靜態(tài)測(cè)量或快速靜態(tài)測(cè)量，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用隨機(jī)軟件操作，必要是用第三方軟件的成果進(jìn)行檢核。 當(dāng)外部條件允許和測(cè)量?jī)x器精度能滿足要求時(shí)，也可采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS-RTK 施測(cè)。

2、GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量

GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK 和VRS 是目前常用的GPS 測(cè)量方法。 虛擬參考站技術(shù)（VRS）是新興的一種RTK 技術(shù)。

（1） RTK 測(cè)量

GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)是基準(zhǔn)站通過電臺(tái)將測(cè)站坐標(biāo)信息傳送給流動(dòng)站，不需數(shù)據(jù)后處理，在野外實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)定位精度的測(cè)量方法[2]。 是GPS 定位技術(shù)不斷發(fā)展中出現(xiàn)的一個(gè)新突破， 它將測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)結(jié)合在一起，形成了一個(gè)跨時(shí)代的測(cè)量系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)測(cè)量，RTK測(cè)量技術(shù)具有定位精度高、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化成都高、施測(cè)距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)勢(shì)，已在路橋、電力、能源、水利等工程建設(shè)及基礎(chǔ)測(cè)繪中得到普及應(yīng)用。 在油氣管道工程測(cè)量中，RTK 技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于RTK 技術(shù)的測(cè)量精度受限于空天條件、有效衛(wèi)星數(shù)量、電臺(tái)覆蓋范圍等影響，會(huì)產(chǎn)生一定的周跳點(diǎn)，導(dǎo)致一些人在工程中運(yùn)用RTK 技術(shù)時(shí)心有疑慮。所以在應(yīng)用RTK 技術(shù)時(shí)，需要進(jìn)行必要的檢核，而測(cè)圖時(shí)產(chǎn)生的個(gè)別周跳，可以結(jié)合實(shí)地情況，用等高線曲線擬合的方式加以剔除，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 這樣RTK 技術(shù)才能夠得到更好的使用。

（2） VRS 測(cè)量

常規(guī)RTK 測(cè)量中，需要架設(shè)本地基準(zhǔn)站、測(cè)量誤差隨距離的增長(zhǎng)而變大、電臺(tái)功率影響測(cè)量范圍。虛擬參考站技術(shù)VRS 的出現(xiàn)，解決上述問題。 VRS（Virtual Reference Station）系統(tǒng)包括3 個(gè)部分∶控制中心、固定參考站和用戶部分。首先在一定區(qū)域內(nèi)架設(shè)一定數(shù)量的基準(zhǔn)站，基站接收衛(wèi)星信號(hào)，然后將信息傳送至信息處理中心，移動(dòng)站先將接收機(jī)的位置信息發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心會(huì)根據(jù)移動(dòng)站的位置， 選擇附近幾個(gè)位置比較好的基準(zhǔn)站信息，“虛擬”出一個(gè)參考站，然后，將虛擬出的參考站改正數(shù)據(jù)播發(fā)給移動(dòng)站， 這樣流動(dòng)站測(cè)出的數(shù)據(jù)精度就能達(dá)到厘米級(jí)[3]。

VRS 技術(shù)是新興的測(cè)量技術(shù)，隨著全國固定參考站（CORS）的不斷增加，這項(xiàng)新技術(shù)將能在工程建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。 目前油氣管道工程測(cè)量中，地形圖的測(cè)繪已開始嘗試使用該技術(shù)，其測(cè)量精度穩(wěn)定、恒定、可靠，滿足相關(guān)規(guī)范要求，無需架設(shè)本地基準(zhǔn)站、操作簡(jiǎn)單，節(jié)省了控制測(cè)量的費(fèi)用。 相信會(huì)被更多的管道建設(shè)單位所接納。

三、結(jié)語

全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量技術(shù)在油氣管道中得到了很好的應(yīng)用，隨著科技的進(jìn)步，其新技術(shù)的出現(xiàn)以及更高級(jí)測(cè)量?jī)x器的投入使用，GPS 測(cè)量技術(shù)將會(huì)為工程建設(shè)帶來更大的便利。 同時(shí)，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到該技術(shù)在應(yīng)用過程中仍存在一定的不足，要加強(qiáng)測(cè)量檢核以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性， 必要的時(shí)候還需要水準(zhǔn)儀、全站儀等傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備的輔助，所以GPS 測(cè)量技術(shù)仍存在進(jìn)一步完善的空間。 只要儀器生產(chǎn)商盡量克服自身的缺陷，測(cè)繪工作者正確使用該技術(shù)，GPS 測(cè)量技術(shù)將能更好地為油氣管道測(cè)量服務(wù)，促進(jìn)管道建設(shè)行業(yè)更快地發(fā)展。

[1] 胡民春.GPS 技術(shù)在高速公路平面控制測(cè)量中的應(yīng)用分析[J].地球，2013(5)：180－181.

[2] 李云濤，高紅梅，詹英.淺談RTK 技術(shù)在客運(yùn)專線施工測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與地理空間信息，2013,36(3)：182－183

[3] 李曉亮，董博.網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)在城市規(guī)劃測(cè)量中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2013(1)：91－94.