呂紅濤 方廣杰 舒 飛

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000

0 前言

在長(zhǎng)距離油氣管道工程建設(shè)領(lǐng)域，管道帶狀地形圖、隧道地形圖、穿跨越及場(chǎng)站地形圖通常使用航空攝影測(cè)量、傳統(tǒng)RTK(Real Time Kinematic)技術(shù)、全站儀測(cè)量等儀器設(shè)備完成［1］。隨著測(cè)繪新設(shè)備、新技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量、VRS（Virtual Reference Stations）技術(shù)等也開(kāi)始在管道測(cè)量中使用，并初見(jiàn)成效。

VRS技術(shù)是集Internet技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理和GPS定位技術(shù)于一身的新興定位技術(shù)。VRS技術(shù)能否應(yīng)用于油氣管道工程測(cè)量，其測(cè)量精度是否滿足行業(yè)規(guī)范的各項(xiàng)要求，本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)VRS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，為今后油氣管道工程測(cè)量提供了借鑒。

1 RTK技術(shù)與VRS技術(shù)對(duì)比

RTK技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)繪常用的GPS測(cè)量方式。VRS技術(shù)的出現(xiàn)把RTK技術(shù)推向了一個(gè)更趨完美的地步，代表了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)以及GPS的發(fā)展方向。

1.1 RTK技術(shù)及其局限性

RTK技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的簡(jiǎn)稱，是一種將GPS與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)解算和處理數(shù)據(jù)，在1～2 s內(nèi)得到高精度三維定位技術(shù)。它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測(cè)圖和低等級(jí)控制測(cè)量帶來(lái)了曙光。RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：作業(yè)自動(dòng)化、集成化程度高，測(cè)繪功能強(qiáng)大；對(duì)通視條件、能見(jiàn)度、氣候、季節(jié)等因素的要求低；定位精度高，數(shù)據(jù)安全可靠；操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；作業(yè)效率高。

RTK技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，存在一定的局限性，主要表現(xiàn)：需架設(shè)本地的參考站（基準(zhǔn)站）；誤差隨距離的增長(zhǎng)而增大；電臺(tái)功率使流動(dòng)站和參考站距離受到限制（＜15 km）；可靠性和可行性隨距離的增長(zhǎng)而降低。

1.2 VRS技術(shù)組成、工作原理及優(yōu)勢(shì)

VRS技術(shù)包括：控制中心、固定參考站和用戶部分［2］。控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，既是通信控制中心，也是數(shù)據(jù)處理中心。它通過(guò)通信線(光纜、ISDN、電話線)與所有的固定參考站通信；通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(GSM、CDMA、GPRS)與移動(dòng)用戶通信。由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，控制中心的軟件GPS-NET既是數(shù)據(jù)處理軟件，也是系統(tǒng)管理軟件。

固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng)，即CORS系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System），分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，1個(gè)VRS網(wǎng)絡(luò)包括不少于3個(gè)甚至無(wú)數(shù)個(gè)固定參考站，站與站之間的距離可達(dá)70 km(傳統(tǒng)高精度GPS網(wǎng)絡(luò)，站間距離10～20 km)。固定參考站與控制中心之間有通信線相連，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制中心。

用戶部分包括用戶的接收機(jī)、智能手機(jī)等無(wú)線通信的調(diào)制解調(diào)器。用戶根據(jù)不同需求，放置在不同的載體上，如：汽車、飛機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)器、挖掘機(jī)等；用戶也可背在肩上。接收機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將自己初始位置發(fā)給控制中心，并接收控制中心的差分信號(hào)，生成厘米級(jí)的位置信息。

VRS網(wǎng)絡(luò)中，各固定參考站不直接向移動(dòng)用戶發(fā)送任何改正信息，而將所有的原始數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通信線發(fā)至控制中心。同時(shí)，移動(dòng)用戶在工作前，先通過(guò)GSM的短信息功能向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)；控制中心收到后，根據(jù)用戶位置由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇最佳的一組固定基準(zhǔn)站；再根據(jù)固定基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的信息，整體地改正GPS的軌道誤差，電離層、對(duì)流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號(hào)發(fā)送給移動(dòng)站。這個(gè)差分信號(hào)的效果相當(dāng)于在移動(dòng)站旁邊，生成一個(gè)虛擬的參考基站。

VRS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：測(cè)量范圍大；用戶省略架設(shè)基準(zhǔn)站，單用戶可直接操作；相對(duì)于傳統(tǒng)RTK技術(shù)，沒(méi)有距離誤差的概念，提高了測(cè)量精度；誤差均勻統(tǒng)一；可靠性提高［3］；信號(hào)穩(wěn)定，兼容GPS各種型號(hào)，可野外單人作業(yè)等［4］。

2 VRS技術(shù)的具體應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某在建天然氣管道江西段長(zhǎng)度約570 km，全線總體地勢(shì)西北和東南低，中部高，大體呈階梯狀展布低山丘陵及平原。前期沿線做了206個(gè)D級(jí)GPS首級(jí)控制點(diǎn)，采用美國(guó)天寶GPS接收機(jī)，以靜態(tài)測(cè)量方式，同步觀測(cè)1h以上，并用天寶TBC軟件解算處理所得數(shù)據(jù)［5］。線路地形圖采用VRS技術(shù)測(cè)量。使用測(cè)量?jī)x器為Trimble R8 Model 2，配套手簿為TSC2。

在正式開(kāi)展線路測(cè)量前，向江西省測(cè)繪地理信息局申請(qǐng)注冊(cè)了該省VRS的用戶名和密碼、IP地址和端口，辦理了VRS技術(shù)測(cè)量專用的中國(guó)移動(dòng)GPRS數(shù)據(jù)卡。

VRS技術(shù)測(cè)量中，手機(jī)、TSC2手簿和接收機(jī)的各項(xiàng)配置是一個(gè)復(fù)雜、系統(tǒng)、精細(xì)的過(guò)程。

2.1 TSC2手簿與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)連接

打開(kāi)TSC2手簿和手機(jī)的藍(lán)牙，使藍(lán)牙可見(jiàn)，輸入一個(gè)自定義密碼后匹配。這樣手機(jī)就相當(dāng)于調(diào)制解調(diào)器，供給TSC2手簿聯(lián)網(wǎng)；在TSC2手簿里點(diǎn)擊“連接”“管理現(xiàn)有連接”“新建連接”，輸入連接GPRS，選擇藍(lán)牙為調(diào)制解調(diào)器，在撥號(hào)方式欄輸入*99#或*99***#（中國(guó)移動(dòng)專用），數(shù)據(jù)流量選擇最大115 200，其它默認(rèn)設(shè)置。

2.2 TSC2手簿與天寶接收機(jī)藍(lán)牙配對(duì)連接

打開(kāi)TSC2手簿里新建文件，在“配置”“控制器”“藍(lán)牙”選項(xiàng)里，選擇接收機(jī)型號(hào)，將手機(jī)和接收機(jī)通過(guò)藍(lán)牙完成連接。

2.3 撥號(hào)簡(jiǎn)表的各項(xiàng)設(shè)置

新建撥號(hào)簡(jiǎn)表，簡(jiǎn)表類型為互聯(lián)網(wǎng)流動(dòng)站，選擇上述建立的GPRS連接，藍(lán)牙調(diào)制解調(diào)器為手機(jī)，接入點(diǎn)為cmnet，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的用戶名、密碼和VRS的IP地址及端口均為上述在測(cè)繪局申請(qǐng)的專用號(hào)碼，其它用默認(rèn)設(shè)置，存儲(chǔ)撥號(hào)簡(jiǎn)表。

2.4 VRS技術(shù)流動(dòng)站的各選項(xiàng)設(shè)置

在“測(cè)量形式”里新建一個(gè)VRS技術(shù)測(cè)量，流動(dòng)站選項(xiàng)測(cè)量形式設(shè)置為RTK，播發(fā)格式為RTCM（GNSS差分信號(hào)格式），點(diǎn)存儲(chǔ)為矢量，天線類型設(shè)置成與接收機(jī)匹配的類型，勾選俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星（GLONASS），接受設(shè)置并存儲(chǔ)；流動(dòng)站電臺(tái)選為互聯(lián)網(wǎng)連接，撥號(hào)簡(jiǎn)表選擇新建的VRS簡(jiǎn)表，接受設(shè)置并存儲(chǔ)。

完成各項(xiàng)設(shè)置后，即可進(jìn)入VRS技術(shù)測(cè)量程序，TSC2手簿通過(guò)手機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)，獲取測(cè)繪局接入點(diǎn)源列表，選擇RTKRTCM建立連接，收到電臺(tái)信號(hào)后即可進(jìn)行測(cè)量或放樣工作。

為確保線路測(cè)量成果的正確性，每次施測(cè)前均對(duì)首級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行檢核［6］。部分測(cè)量結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 VRS技術(shù)測(cè)量成果與靜態(tài)測(cè)量成果較差 m

由表1可看出，VRS技術(shù)測(cè)量靜態(tài)控制點(diǎn)成果的平面精度優(yōu)于2 cm，高程精度優(yōu)于4 cm。依據(jù)GB/T 50539-2009《油氣輸送管道工程測(cè)量規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，既能滿足線路帶狀圖測(cè)量的限差要求，也能滿足隧道、穿跨越和場(chǎng)站地形圖測(cè)量等限差要求；從表1也可看出，VRS技術(shù)在控制測(cè)量方面，其部分成果精度不能滿足CH/T 2009-2010《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（RTK）技術(shù)規(guī)范 》的相關(guān)技術(shù)要求，需要采取措施，提高測(cè)量精度，才能滿足規(guī)范要求［7］。所以VRS技術(shù)可用于油氣管道工程測(cè)量的碎部點(diǎn)采集和施工放樣［8］。

3 結(jié)論

VRS技術(shù)節(jié)約了人力、擴(kuò)展了作業(yè)距離、提高了工作效率，較傳統(tǒng)RTK技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各省區(qū)CORS系統(tǒng)的建立和籌建，在測(cè)繪及油氣管道工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)，也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)階段的VRS技術(shù)能勝任碎部點(diǎn)采集和施工放樣；但在控制測(cè)量方面，其精度還不能完全滿足管道測(cè)量的相關(guān)要求，特別是隧道、穿跨越及場(chǎng)站地形圖的測(cè)量，特殊情況下需做好降低誤差的準(zhǔn)備工作。另外國(guó)內(nèi)部分地區(qū)還未建立CORS系統(tǒng)，不能提供虛擬參考站差分信息；個(gè)別山區(qū)沒(méi)有通信運(yùn)營(yíng)商服務(wù)，流動(dòng)站無(wú)法接收虛擬參考站的差分信息，限制了VRS技術(shù)的使用。

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