李景增,席小光

(1.滄州大化股份有限公司 聚海分公司,河北 滄州 061001;2.中國石油天然氣管道工程有限公司 天津分公司工程勘察部,天津 300280)

GPS技術(shù)以其定位精度高、省時、省力成為控制測量的首選方案。實時動態(tài)(RT K)測量系統(tǒng)是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分 GPS測量技術(shù),具有能夠?qū)崿F(xiàn)坐標實時解算的優(yōu)點。在 RTK作業(yè)模式下,流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù),還可采集 GPS觀測數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理,同時給出厘米級定位結(jié)果。GPS技術(shù)應(yīng)用到長輸管道可以顯著提高作業(yè)效率和測量精度[1]。

近年來,隨著管道事業(yè)的發(fā)展,特別是西氣東輸、西氣東輸二線、川氣東送、中俄管線、中緬管線的鋪設(shè),傳統(tǒng)測量方法已不能適應(yīng)長輸管線的應(yīng)用和發(fā)展。GPS技術(shù)憑借其自身的優(yōu)勢,在長輸管線的初測及詳勘放樣中的作用越來越大,是長輸管線測量作業(yè)方面的一次技術(shù)革新。

1 工程概述

長嶺—松原輸氣管道工程是近年吉林油田的重點工程,主線地形復雜,地貌多樣,沼澤地多,溝渠縱橫,穿越大型河流、公路,視線遮擋比較嚴重,地勢起伏較大。

為滿足長嶺 1號氣田高含CO2天然氣外輸?shù)男枰?修建一條天然氣外輸管線,下游用戶為吉林油田熱電廠和前郭石化大化肥廠。管線設(shè)計壓力為5.5MPa,設(shè)計輸量為10×108m3/a,并兼顧遠期最大輸量為14.32×108m3/a,管徑為457 mm,采用 L360直縫電阻焊接鋼管。管道全線位于吉林省松原市境內(nèi),主線長度為80.59 km。新建輸氣站場 3座、線路截斷閥室 3座。

2 控制測量

2.1 布設(shè) GPS控制網(wǎng)

長輸管線測量的第一步工作是控制測量,控制測量工作包括平面控制測量和高程控制測量。平面控制測量采用靜態(tài)GPS控制網(wǎng),高程控制測量采用 GPS高程擬合法并與國家等級水準點進行聯(lián)測,以保證其精度。本次作業(yè)采用美國天寶 GPS接收機。

在 GPS控制網(wǎng)的建立過程中,按照《長距離輸油輸氣管道測量規(guī)范》布設(shè)控制點,線路的起點、終點和線路長度大于30 km的點均與國家或其他控制點聯(lián)測,并采取相應(yīng)措施削弱長度變形。布設(shè)的 GPS控制網(wǎng)應(yīng)滿足以下幾個條件:

1)作為導線起閉點的 GPS應(yīng)成對出現(xiàn);

2)盡量選在交通方便的地方,當邊長較長時,還應(yīng)顧及周圍的通信設(shè)施,如高壓線、微波發(fā)射塔等;

3)每對點與相鄰一對點的間隔不大于10 km;

4)加強線路控制網(wǎng)的圖形因子,形狀類似線形鎖。

長嶺—松原輸氣管道工程的控制網(wǎng)如圖 1所示。

2.2 靜態(tài) GPS控制測量作業(yè)

圖1 管道工程控制網(wǎng)

2.2.1 選擇作業(yè)時段

管線沿線地物地貌復雜多變,為獲取完整的數(shù)據(jù),必須根據(jù)衛(wèi)星可見預報和天氣預報選擇最佳觀測時段。衛(wèi)星的幾何分布越好,定位精度就越高。衛(wèi)星的分布情況可用Planning軟件查看多項預測指標,根據(jù)預測結(jié)果合理安排工作計劃。

2.2.2 基站選定

基準站的架設(shè)位置至關(guān)重要,除滿足 GPS靜態(tài)觀測的條件外,每次作業(yè)前一定要將基準站架設(shè)在周圍開闊并足夠高的地方[2],便于電臺發(fā)射。為了保證測量精度,接收機一般架設(shè)在各測段的中部,可設(shè)在WGS84坐標的已知點上,也可未知點設(shè)站。

2.3 RTK控制測量作業(yè)

將基準站接收機設(shè)在基準點上進行設(shè)置。采用1+2測圖作業(yè)模式:基準站1人;流動站4人,其中2人操作GPS,2人記錄。作業(yè)時,中線各100 m采點均勻,中線附近要采得仔細。流動站接收機開機后,首先進行系統(tǒng)設(shè)置,輸入?yún)?shù),再進行流動站的設(shè)置和通常公布的坐標系統(tǒng),大地水準面模型不考慮投影中的當?shù)仄?因此要通過點校正來減少這些偏差,獲得更精確的當?shù)鼐W(wǎng)格坐標,確保作業(yè)區(qū)域在校正的點范圍內(nèi)。

為了保證實時動態(tài)測量(RTK)的準確性,采用如下幾點方法:

1)求轉(zhuǎn)換參數(shù),測量過程中,每一站要選取殘差少、精度相對穩(wěn)定的控制點解算轉(zhuǎn)換參數(shù),盡量加入多余觀測量檢核。

2)減小作業(yè)半徑,基準站與流動站的距離越近,求得的固定解越穩(wěn)定,精度也越高。

3)基準站盡量設(shè)置在地勢較高、開闊的控制點上,保證電臺信號發(fā)射、接收的穩(wěn)定性。

4)在對測量干擾較大的地點采集數(shù)據(jù)時要適當延長觀測時間。

5)根據(jù)工程的特點,在進行地形圖繪制時,加強對圖形關(guān)鍵點的檢核,保證工程的精度。最后得出長嶺-松原輸氣管道工程控制點最終成果。

3 影響控制網(wǎng)精度的因素

由于線路控制測量采用 GPS網(wǎng),所以GPS網(wǎng)的精度直接影響線路的精度。GPS測量的誤差來源主要可分為:與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差,與信號傳播有關(guān)的誤差,與接收設(shè)備有關(guān)的誤差,如圖 2所示。

圖2 GPS誤差來源

3.1 與衛(wèi)星有關(guān)的誤差

3.1.1 衛(wèi)星星歷誤差

衛(wèi)星星歷誤差是指衛(wèi)星星歷給出的衛(wèi)星空間位置與衛(wèi)星實際位置間的偏差。它是一種起始數(shù)據(jù)誤差。星歷誤差是 GPS測量的重要誤差來源。

3.1.2 衛(wèi)星鐘差

衛(wèi)星鐘差是指 GPS衛(wèi)星時鐘與 GPS標準時間的差別。這是一個系統(tǒng)誤差。

3.1.3 SA干擾誤差

SA誤差是美國軍方為了限制非特許用戶利用 GPS進行高精度點定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策,簡稱 SA政策,它包括降低廣播星歷精度的ε技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附加一隨機抖動的δ技術(shù)。

3.2 與傳播途徑有關(guān)的誤差

3.2.1 相對論效應(yīng)的影響

這是由于衛(wèi)星鐘和接收機所處狀態(tài)(運動速度和重力位)不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機鐘間的相對誤差。

3.2.2 電離層折射

當GPS信號通過電離層時,與其他電磁波一樣,信號路徑要發(fā)生彎曲,傳播速度也發(fā)生變化,從而使測量的距離發(fā)生偏差,這種影響稱為電離層折射?？捎?種方法來減弱它的影響:一是利用雙頻觀測值,利用不同頻率的觀測值組合對電離層的延尺進行改正;二是利用電離層模型加以改正;三是利用同步觀測值求差。

3.2.3 對流層折射

GPS信號通過對流層時,也使傳播的路徑發(fā)生彎曲,從而使測量距離產(chǎn)生偏差,這種現(xiàn)象稱為對流層折射。減弱影響主要有3種措施:其一,采用對流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測站直接測定;其二,引入描述對流層影響的附加待估參數(shù),在數(shù)據(jù)處理中一并求得;其三,利用同步觀測量求差。

3.2.4 多路徑效應(yīng)

測站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(反射波)進入接收機天線,將和直接來自衛(wèi)星的信號(直接波)產(chǎn)生干涉,從而使觀測值偏離,產(chǎn)生所謂的“多路徑誤差”。減弱多路徑誤差的方法主要有:選擇合適的站址,測站不宜選擇在山坡、山谷和盆地中,應(yīng)離開高層建筑物;選擇較好的接收機天線,在天線中設(shè)置徑板,抑制極化特性不同的反射信號。

3.3 與 GPS接收機有關(guān)的誤差

3.3.1 接收機鐘差

GPS接收機一般采用高精度的石英鐘,接收機的鐘面時與 GPS標準時之間的差異稱為接收機鐘差。

3.3.2 接收機的位置誤差

接收機天線相位中心相對測站標石中心位置的誤差稱為接收機位置誤差。其中包括天線置平和對中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時,要仔細操作,盡量減少這種誤差影響。

3.3.3 接收機天線相位中心偏差

這種偏差的影響可達數(shù)毫米至厘米。而如何減少相位中心的偏移是天線設(shè)計中的一個重要問題。

4 結(jié)束語

GPS-RTK測量憑借其技術(shù)優(yōu)勢,提高了生產(chǎn)效率和觀測結(jié)果的可靠性,有效地降低了現(xiàn)場施工成本,為管道建設(shè)和項目管理工作做出了巨大貢獻,具有很高的實用價值[3]。 RTK長輸管道測量作業(yè)方法廣泛應(yīng)用于大型管道工程測量中,并取得了良好的效果。

[1]桑悅,江斌,劉巖,等.RTK技術(shù)在長輸管道測量中的應(yīng)用 [J].石油工程建設(shè),2010,36(2).

[2]王永弟,樊增龍,楊雷生,等.RTK在川豫魯天然氣管道工程測量中的應(yīng)用 [J].測繪信息技術(shù)與工程,2006,31(3).

[3]于濤.RTK系統(tǒng)在西氣東輸二線數(shù)字化管道中的應(yīng)用[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2010(6).