不同GPS定位方式在管道外檢測(cè)中的應(yīng)用研究

王 超,黃 銳,尹 航,李正敏

(1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司,河北 廊坊 065000;2.中油國(guó)際管道有限公司,北京 100000)

隨著國(guó)內(nèi)管道完整性管理工作的開展,管道外檢測(cè)成為管道完整性工作的重要組成部分[1]。管道外檢測(cè)一般包括防腐層完整性、陰極保護(hù)有效性、雜散電流干擾以及直接開挖等檢測(cè)項(xiàng)目[2-3],檢測(cè)過程中涉及管道路由、管道埋深、防腐層破損點(diǎn)、測(cè)試樁位置等管道特征點(diǎn)的信息采集。管道完整性根據(jù)需求將采集的GPS位置信息與位置屬性信息進(jìn)行整合,從而對(duì)管道進(jìn)行綜合、一體化的管理[4-6]。以往外檢測(cè)過程中對(duì)管道特征點(diǎn)的位置信息的采集基本都是采用手持GPS來完成[7]。各家檢測(cè)單位提供的檢測(cè)成果數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊,精度較低。近年來空間導(dǎo)航與定位技術(shù)快速發(fā)展,可提供更高精度GPS位置信息的RTK和CORS技術(shù)隨之出現(xiàn)。這些測(cè)量技術(shù)在道路工程、鐵路工程、地質(zhì)工程、水利工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,而在管道行業(yè)測(cè)量和定位中的應(yīng)用較少[8-10]。目前城市地下管線參照《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》,管道行業(yè)對(duì)管線位置測(cè)量提出了很高的要求,為全面準(zhǔn)確了解管道狀況,并為長(zhǎng)輸管道數(shù)字化建設(shè)提供更精確的數(shù)據(jù),采用現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)將更好地服務(wù)油氣長(zhǎng)輸管道的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。

1 手持GPS、單基站RTK、CORS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPS接收機(jī)按照用途可分為導(dǎo)航型接收機(jī)、測(cè)地型接收機(jī)、授時(shí)型接收機(jī)。依據(jù)JJF 1118—2004《全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)(測(cè)地型和導(dǎo)航型)校準(zhǔn)規(guī)范》,手持GPS接收機(jī)歸類于導(dǎo)航型GPS接收機(jī)。一般手持GPS只接收GPS衛(wèi)星的L1載波信號(hào),采用偽距(包含誤差的衛(wèi)星到接收機(jī)的距離)定位原理且未對(duì)偽距進(jìn)行差分處理,手持GPS是一種單點(diǎn)絕對(duì)定位方式[11]。由于手持GPS具備體積小巧、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),該定位方式在管道外檢測(cè)作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。利用手持GPS定位防腐層破損點(diǎn)、管道路由、管道上方附屬設(shè)施和地面標(biāo)識(shí)物過程中,結(jié)合卷尺測(cè)量附近標(biāo)志樁、警示牌、光纜樁才能實(shí)現(xiàn)相對(duì)精確定位,但地面上的標(biāo)識(shí)物很容易受到地形地貌變化的影響而改變。

相較于手持GPS將偽距作為量測(cè)信號(hào),如果以載波作為量測(cè)信號(hào),再結(jié)合位置差分、偽距差分和載波相位差分等差分定位技術(shù),可以大幅度提高系統(tǒng)定位精度[12]。RTK技術(shù)屬于載波相位差分技術(shù),最早由美國(guó)天寶公司開發(fā)[13]。該定位技術(shù)包含兩臺(tái)GPS,其中一臺(tái)GPS接收機(jī)設(shè)置為基站,另一臺(tái)GPS設(shè)置為移動(dòng)站,并且在基站和移動(dòng)站之間建立無線電數(shù)據(jù)鏈?；窘柚鸁o線電數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)處理兩個(gè)GPS接收機(jī)載波相位觀測(cè)值,并將觀測(cè)值及基站坐標(biāo)信息一起發(fā)給移動(dòng)站。移動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基站的數(shù)據(jù),同時(shí)還采集自身測(cè)點(diǎn)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,這種測(cè)量方式可以在不到1 s內(nèi)給出相對(duì)于基站的厘米級(jí)定位[14]。通過理論和實(shí)踐表明,雖然單基站RTK技術(shù)具備作業(yè)效率高、定位精度高以及全天候作業(yè)等優(yōu)點(diǎn),但也存在一些不足[15]。單基站RTK作業(yè)時(shí)需要架設(shè)基準(zhǔn)站,基準(zhǔn)站通過內(nèi)置電臺(tái)、外掛電臺(tái)兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈連接,內(nèi)置電臺(tái)一般空曠地區(qū)覆蓋范圍為2～3 km,外掛電臺(tái)一般空曠地區(qū)覆蓋范圍能達(dá)到20 km左右。實(shí)際測(cè)量過程中一般不建議覆蓋范圍超過10 km,距離過大則差分精度隨站間距離變大而下降[16]。

為了克服單基站RTK的各種局限性,CORS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CORS是一種基于多參考站的RTK技術(shù),是由一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的衛(wèi)星參考站,利用計(jì)算機(jī)、通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成網(wǎng)絡(luò),通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的向用戶提供改正數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的綜合衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)。CORS可以提供實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航信息、高精度連續(xù)的時(shí)頻信號(hào)以及定時(shí)、授時(shí)的信息。我國(guó)CORS從開始建設(shè)以來,通過國(guó)際合作、國(guó)家重大基礎(chǔ)設(shè)施專項(xiàng)工程等建設(shè),全國(guó)各省市自治區(qū)根據(jù)自身需求,逐步建成了省級(jí)CORS系統(tǒng)[17]。與單基站RTK技術(shù)相比,CORS仍然采用差分定位技術(shù),但數(shù)據(jù)處理更為復(fù)雜和完善,通訊的方式也有區(qū)別。CORS測(cè)量時(shí)無需架設(shè)基準(zhǔn)站,只需一臺(tái)移動(dòng)站并連接網(wǎng)絡(luò)便可以開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。CORS測(cè)量節(jié)約了野外作業(yè)過程中人員值守和架設(shè)基準(zhǔn)站的時(shí)間,降低了作業(yè)成本,提高了工作效率,另外CORS作業(yè)范圍能達(dá)到50 km以上。

2 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備

本項(xiàng)目選取某周圍無建筑物、無通訊線路、無林木遮蔽的輸氣管段,利用PCM+探測(cè)管道并在管道正上方每隔約50 m選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。通過分別使用手持GPS、架設(shè)RTK基站、移動(dòng)站以及直接使用移動(dòng)站連接CORS系統(tǒng)三種方式對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行定位測(cè)量,最后使用全站儀和鋼尺對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)以檢驗(yàn)精度,從而對(duì)比三種定位方式在管道外檢測(cè)中的定位誤差。本次項(xiàng)目手持GPS型號(hào)為佳明Etrex 20；單基站RTK和CORS使用抗干擾性能較好的雙頻多通道中海達(dá)V60 GNSS RTK,該儀器標(biāo)稱精度為平面±(10+1×10-6D)mm。鑒于GPS測(cè)量的高程為大地高程,平常測(cè)量使用的是正常高程,兩者之間相差一個(gè)高程異常值,因此本項(xiàng)目只進(jìn)行了大地坐標(biāo)的采集,測(cè)量成果提供所選管段的WGS84坐標(biāo)。

3 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果分析

為了獲得較高的測(cè)量精度,手持GPS測(cè)量時(shí)要求衛(wèi)星數(shù)量大于4顆并且鎖定,然后使用手持GPS位置平均功能,對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行4～5 min采集,手持GPS將在同一地點(diǎn)記錄多個(gè)讀數(shù),并求取平均值以獲取更高的精度。單基站RTK和CORS測(cè)量過程中,首先應(yīng)保證移動(dòng)站圓水準(zhǔn)氣泡居中,其次必須在接收機(jī)已得到固定解且接收機(jī)的位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)值小于等于6時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如果等待3秒內(nèi)仍不能獲得固定解,應(yīng)斷開數(shù)據(jù)鏈,重啟接收機(jī)再次進(jìn)行初始化操作。三種測(cè)試方法獲得的部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同測(cè)量方式五個(gè)測(cè)點(diǎn)GPS大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)表

通過GPS測(cè)量得到的WGS84大地坐標(biāo)是一種球面坐標(biāo),實(shí)際施工和測(cè)量過程中用到的地圖或圖紙是平面的,因此必須得將球面上的坐標(biāo)投影到平面上。我國(guó)一般高斯-克呂格投影法,投影后建立高斯平面坐標(biāo)系是以中央子午線與赤道的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),以中央子午線的投影為縱坐標(biāo)軸X,規(guī)定X軸向北為正,以赤道的投影為橫坐標(biāo)軸Y,Y軸向東為正。投影所得的坐標(biāo)系會(huì)產(chǎn)生一定變形,為了控制投影后的長(zhǎng)度變形,通常是按中央子午線6度和3度分帶投影。按照,以3°或6°帶的形式投影投影。將本次測(cè)量的5組數(shù)據(jù)按照高斯-克呂格3°帶投影,所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 五個(gè)測(cè)點(diǎn)投影后的數(shù)據(jù)

參照J(rèn)JF 1118對(duì)導(dǎo)航型GPS誤差的計(jì)算公式,對(duì)三種方式的定位誤差進(jìn)行計(jì)算。

式中δ—定位誤差,m；

Xi—測(cè)試數(shù)據(jù)X軸方向的分量；

Yi—測(cè)試數(shù)據(jù)Y軸方向的分量；

X0—標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)X軸方向的分量；

Y0—標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)X軸方向的分量。

CORS具有很高的測(cè)量精度,測(cè)量精度能達(dá)到厘米級(jí),誤差能夠控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的范圍內(nèi)。因此可以將CORS測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。利用公式(1)來比較手持GPS和單基站RTK的測(cè)量值的誤差,經(jīng)計(jì)算誤差如表3所示。

表3 手持GPS和單基站RTK測(cè)量同一測(cè)點(diǎn)的誤差

由表1可知手持GPS測(cè)量的大地坐標(biāo)受設(shè)備精度限制,只能顯示“秒”后兩位,并且手持GPS測(cè)量的平均值不穩(wěn)定。與手持GPS相比,單基站RTK和CORS可以提供較高精度的大地坐標(biāo),坐標(biāo)“秒”后兩位數(shù)值變化范圍較窄。影響手持GPS大地坐標(biāo)測(cè)量平均值不穩(wěn)定的因素較多,通常包括三部分誤差[18]。首先是衛(wèi)星鐘差、電離層延遲誤差、對(duì)流層傳播誤差以及衛(wèi)星星歷誤差等,這部分誤差是GPS定位時(shí)都存在的公共誤差,可以使用差分等技術(shù)予以消除。普通的手持GPS(比如佳明系列)接收機(jī)基本都是單頻接收機(jī),雖然接收機(jī)內(nèi)置了差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System,DGPS)、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System,WAAS),但我國(guó)大陸地區(qū)目前并無基站提供WAAS系統(tǒng)廣播校準(zhǔn)數(shù)據(jù),如果打開此功能GPS接收機(jī)可能會(huì)接收到東太平洋的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),由于距離基站太遠(yuǎn),因此在中國(guó)大陸地區(qū)該技術(shù)并不適用。相對(duì)高端的手持GPS(比如天寶Trimble 7x和集思寶MG868S)能同時(shí)接收L1、L2兩種載波信號(hào),可以消除電離層對(duì)電磁波的信號(hào)延遲的影響,而且接收機(jī)也內(nèi)置了DGPS、星基增強(qiáng)系統(tǒng)(Satellite Based Augmentation System,SBAS)等技術(shù),一定程度上實(shí)現(xiàn)相對(duì)高精度的定位,但是相應(yīng)的接收機(jī)價(jià)格昂貴,另外增強(qiáng)技術(shù)也存在很大的局限性,例如SBAS在沿海地區(qū)效果較好,但內(nèi)陸地區(qū)有時(shí)不能使用[18]。第二部分誤差是電磁波傳播從衛(wèi)星發(fā)射到用戶接受的過程中造成的誤差,這部分誤差一般不能夠通過用戶測(cè)量或者使用差分方法來完全消除；第三部分誤差是用戶接收機(jī)設(shè)備的質(zhì)量以及受觀測(cè)環(huán)境影響造成的誤差,比如GPS接收機(jī)的內(nèi)部噪聲、通道延遲、周圍環(huán)境的電磁波干擾、多路徑效應(yīng)等。表3的數(shù)據(jù)顯示手持GPS、單基站RTK與CORS之間均存在一定的誤差,但手持GPS的誤差相對(duì)更大。這主要因?yàn)闇y(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過投影后一般情況下緯度1秒對(duì)應(yīng)地面距離大約30.8 m,經(jīng)度1秒對(duì)應(yīng)地面距離大約為30.8 m×該地區(qū)緯度的余弦值,因此手持GPS大地坐標(biāo)測(cè)量平均值的不穩(wěn)定,易造成地面較真值差距1～3 m。單基站RTK理論上和CORS應(yīng)該具有相同的精度,但本次測(cè)量出現(xiàn)了較大的誤差,主要原因是：本次單基站RTK測(cè)量時(shí)未進(jìn)行點(diǎn)校正,影響了單基站RTK定位的準(zhǔn)確性,造成單基站RTK和CORS對(duì)測(cè)量值出現(xiàn)0.6米左右的整體偏移。通過本次實(shí)踐可知當(dāng)單基站RTK在采用任意點(diǎn)架站時(shí),需要移動(dòng)站增加控制點(diǎn)聯(lián)測(cè)工作,因?yàn)槿我恻c(diǎn)架站后,基準(zhǔn)站獲取的WGS84坐標(biāo)是啟動(dòng)后實(shí)際獲得的坐標(biāo),發(fā)送的數(shù)據(jù)鏈不是控制網(wǎng)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)所用的WGS84坐標(biāo)的改正數(shù)ΔX、ΔY、ΔZ,而是一個(gè)新的改正數(shù)ΔX1、ΔY1、ΔZ1,此時(shí)就需要移動(dòng)站到已知點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),聯(lián)測(cè)后移動(dòng)站在已知點(diǎn)獲得實(shí)測(cè)WGS84坐標(biāo)與已知WGS84坐標(biāo)坐標(biāo)的改正數(shù)ΔX2、ΔY2、ΔZ2,移動(dòng)站將聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)獲得的第二個(gè)改正數(shù)作為固定值對(duì)基準(zhǔn)站發(fā)來的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行修正從而獲得與控制網(wǎng)匹配的WGS84坐標(biāo)[21]。

外檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程中,CIPS和PCM測(cè)試會(huì)記錄兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的相對(duì)距離,以為后期評(píng)價(jià)測(cè)量段陰極保護(hù)電位和防腐層整體狀況提供數(shù)據(jù)支撐,因此,本次項(xiàng)目檢測(cè)時(shí)采用三種GPS測(cè)量方式對(duì)待測(cè)點(diǎn)相對(duì)距離進(jìn)行了記錄,并使用卷尺和全站儀對(duì)待測(cè)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行了檢驗(yàn),部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同測(cè)量方式下五個(gè)測(cè)點(diǎn)相對(duì)距離數(shù)據(jù)表

由于GPS距離測(cè)量是通過兩端點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算而獲得,故在此將距離測(cè)量稱為相對(duì)定位。由表4手持GPS所記錄的相對(duì)距離數(shù)據(jù)較粗略,由于設(shè)備的精度問題只能精確到米；全站儀測(cè)量精度很高所測(cè)試的距離可以精確到mm；通過全站儀對(duì)5個(gè)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行復(fù)測(cè),可知CORS所測(cè)兩點(diǎn)間的距離更接近全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)因此精度最高,手持GPS所測(cè)兩點(diǎn)的距離的誤差最大。單基站RTK理論和CORS出現(xiàn)了較大的誤差原因也是未進(jìn)行點(diǎn)校正造成的。

測(cè)量結(jié)束后第二天對(duì)三種方式測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了放樣。手持GPS測(cè)量的大地坐標(biāo)和前一天的距離差距在2 m左右,且相對(duì)測(cè)量點(diǎn)的左右無明顯規(guī)律；未進(jìn)行點(diǎn)校正單基站RTK和CORS的出現(xiàn)整體偏移0.6 m左右；而CORS所測(cè)量的數(shù)據(jù)基本未發(fā)生偏移。

綜上所述,由于多方面因素影響,利用手持GPS的定位精度,開展亞米級(jí)定位精度的外檢測(cè)作業(yè)比較難以實(shí)現(xiàn)。而單基站RTK和CORS均使用了差分技術(shù),使用單基站RTK和CORS測(cè)量具有更高的可靠性。根據(jù)長(zhǎng)輸和城市地下管線測(cè)量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范的要求,使用手持GPS已經(jīng)無法滿足對(duì)管道進(jìn)行定位測(cè)量的需求,有必要采用高精度的CORS技術(shù)來對(duì)管道進(jìn)行定位和測(cè)量。

4 結(jié)論

根據(jù)以往管道外檢測(cè)工作經(jīng)驗(yàn),手持GPS的定位精度很難復(fù)現(xiàn),為了找出原因,本文對(duì)現(xiàn)有的定位技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)述,并參照J(rèn)JF 1118的方法對(duì)手持GPS、RTK和全站儀等設(shè)備的定位精度開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：受設(shè)備自身、信號(hào)、天氣等方面的影響,使用手持GPS開展亞米級(jí)外檢測(cè)定位作業(yè)難以實(shí)現(xiàn)；使用單基站RTK在無已知校準(zhǔn)點(diǎn)的情況下定位精度能夠保證但準(zhǔn)確度會(huì)存在偏差；使用CORS技術(shù)可以在大范圍內(nèi)更加方便、快捷、準(zhǔn)確的對(duì)管道地理信息進(jìn)行定位測(cè)量。

5 建議

現(xiàn)階段,管道完整性所涉及的管道地理位置信息多數(shù)通過手持GPS取得,由于測(cè)量精度無法保證,給后續(xù)的數(shù)據(jù)對(duì)比、對(duì)齊以及復(fù)檢帶來了繁重的工作。自2008年7月1日起,我國(guó)已經(jīng)全面啟用CSCG 2000國(guó)家大地坐標(biāo),在涉及管道地理信息的檢測(cè)作業(yè)中,建議檢測(cè)單位使用CORS技術(shù)對(duì)管道路由進(jìn)行定位,并提供CSCG 2000坐標(biāo)成果,從而保障測(cè)量成果的精確性和可靠性。