GPS在長輸管道施工中的應用

楊佳良 徐群成 張志東 高維明

（中國石油天然氣管道局 中緬油氣管道工程〈國內段〉EPC項目部管道一公司施工分部，云南 曲靖 655000）

1 GPS全球定位系統的工作原理和使用方法

1.1 工作原理

1.1.1 RTK 的工作原理

RTK的工作原理是將一臺接收機置于基準站上，另一臺或幾臺接收機置于載體（稱為流動站）上，基準站和流動站同時接收同一時間、同一GPS衛星發射的信號，基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到GPS差分改正值。然后將這個改正值通過無線電數據鏈電臺及時傳遞給共視衛星的流動站精化其GPS觀測值，從而得到經差分改正后流動站較準確的實時位置。

精密GPS定位均采用相對技術。無論是在幾點間進行同步觀測的后處理(RTK)，還是從基準站將改正值傳輸給流動站(DGPS)，這些都稱為相對技術，以采用值的類型為依據可分為4類：

1）實時差分GPS，其精度為1m～3m；

2）廣域實時差分GPS，其精度為1m～2m；

3）精密時差分GPS，其精度為1cm～5cm；

4）實時精密時差分GPS，其精度為1cm～3cm。

差分的數據類型有偽距差分、坐標差分和相位差分三類。前兩類定位誤差的相關性，會隨基準站與流動站的空間距離的增加而迅速降低。故RTK采用第三類方法。

RTK的觀測模型為：

其中：

Φ——相位測量值，單位為m；

ρ——星站間的幾何距離；

c——光速；

dT——接收機鐘差；

dt——衛星鐘差；

λ——載波相位波長；

N——整周未知數；

dtrop——對流層折射影響；

dion——電離層折射影響；

dpreal——相對論效應；

ε（Φ）——觀測噪聲。

因軌道誤差、鐘差、電離層折射及對流層折射的影響在實際的數據處理中一般采用雙差觀測值方程來解算，在定位前需確定整周未知數，這一過程稱為動態定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。

1.1.2 RTK 的系統組成

我們以美國拓普康導航有限公司生產的TC2000雙頻接收機為例介紹RTK系統組成。

拓普康RTK系統由兩部分組成，如圖1所示。

1.1.3 RTK 系統基準站的組成和作用

圖1 拓普康RTK系統組成

RTK系統基準站由基準站GPS接收機及衛星接收天線、無線電數據鏈電臺及發射天線、直流電源等組成，如圖2所示。

RTK系統基準站的作用是求出GPS實時相位差分改正值，然后將改正值通過數傳電臺及時傳遞給流動站以精化其GPS觀測值，進而得到更為精確的實時位置信息。

圖2 RTK系統基準站的組成

GPS-RTK作業能否順利進行，關鍵因素是無線電數據鏈的穩定性和作用距離是否滿足要求。它與無線電數據鏈電臺本身的性能、發射天線類型、參考站的選址、設備架設情況以及無線電電磁環境等有關。

一般數據鏈電臺采用400MHz～480MHz高頻載波發送數據，而高頻無線電信號是沿直線傳播的，這就要求參考站發射天線和流動站接收天線之間沒有遮擋信號的障礙物。這些障礙物在陸地上主要是建筑物、樹林、無線電信號發射臺等，在海上則主要是地球曲率的影響。

為了盡量避免參考站設備之間的干擾，在GPS-RTK作業時，大于25W的數據鏈電臺的發射天線，應距離GPS接收天線至少2m，最好在6m以上；發射天線與電臺的連接電纜必須展開，以免形成新的干擾源。

電臺所使用的頻率和電臺功率必須經過國家和當地無線電管理部門批準，使用時可能會受到某些限制。

RTK數據鏈無線電發射機（TRIMMRKⅡ）的工作頻率為UHF頻段（400MHz～480MHz），當功率一定時，發射距離隨天線高度增加而增加。

1.1.4 RTK 流動站的組成和作用

圖3 RTK系統流動站的組成

流動站的UHF電臺接收基準站的信號，同時也接收相同的衛星信號，用配備的TSC1控制器進行實時解算。

流動站數據鏈電臺的功率為2W，其電源和衛星接收機共用，不需另配電池。

基準站GPS接收機與TRIMMRKⅡ電臺之間的數據傳輸波特率為38400，TRIMMRKⅡ電臺與流動站GPS接收機之間的數據傳輸波特率為4800，流動站中的UHF數據鏈電臺與流動站GPS接收機之間的數據傳輸波特率為38400（見圖3）。

為了保證流動站的測量精度和可靠性，應在整個測區選擇高精度的控制點進行檢測校對。選擇的控制點應有代表性，并均勻地分布在整個測量區。

1）若基準站安置在已知點上，則輸入已知點的坐標要進行坐標的轉換（WGS—84轉換成BJ54或其他坐標系）。

2）若基準站安置在未知點上，（在城市測量中，有時為了控制更遠和更大的范圍，根據RTK的特點，可將基準站架設在沒有控制點的高樓頂上），在啟動基準站時，則需輸入該點的WGS—84坐標，進行坐標的轉換（WGS—84轉換成BJ54或其他坐標系）。

3）雖然RTK定位測量的基準站可以不放在已知點上，但測量區內必須有已知控制點，而且定位測量的精度和已知控制點的等級和個數有關。在放置好基準站并啟動流動站后，用流動站分別到已知點上進行定位測量，以求得該點坐標，然后與該點的原有坐標相比較，求出其差值，若差值很小（根據工程性質定），則不需改正，否則，必須輸入該點的原有坐標。

1.2 RTK定位測量的使用方法

1.2.1 RTK 定位測量的準備工作

RTK定位測量的準備過程如下：

1）外業踏勘。

2）收集資料。

3）制訂觀測計劃。

4）星歷預報。

5）器材準備：經檢定合格的GPS接收機 [基準站+流動站 （含TSC1）]一套；12V/60A電源（含充電器），數據鏈電臺一套；手機或對講機（每臺GPS接收機上配一個）；每臺GPS接收機配觀測記錄手簿一本。

6）運輸工具：自備汽車或租車。

1.2.2 RTK 的作業方法

1）架設基準站

將基準站GPS接收機安置在開闊的地方，架設電臺和天線。

啟動基準站，在TSC1控制器中進行如下操作：

按on/off鍵，打開TSC1控制器，則其自動調用主菜單。

選擇Files(文件)來建立新工程如下：

⑴新建

⑵點擊“繼續”

⑶GPS+配置（點擊GPS+配置）

⑷編輯（點擊編輯）

⑸點擊繼續

⑹點擊繼續

⑺繼續

⑻繼續

⑼繼續

⑽繼續

⑾繼續

⒀繼續

⒁繼續

⒂繼續

⒃繼續

⑿繼續

⒄完成

⒅點擊繼續

⒆繼續

⒇繼續

(21)繼續

(22)點擊完成

2）啟動基準站與流動站

打開基準站與流動站電源開關，點擊TSC1控制器TopSURV（測量）圖標，進入測量方式菜單，用藍牙選中309（基準站）與326（流動站）并依次進行連接。

RTK測量時搜星數不能少于5顆；電臺圖標中若兩個小燈交替閃亮，則表明無線電數據鏈已連接；“H”和“V”分別代表水平和高程精度；“PDOP”代表空間位置精度因子值；當RTK=FIXED（固定解）時，初始化完畢，可以開始測量；當RTK=float（浮點解）時，初始化不成功，必須等RTK=FIXED時方可測量。

3）開始測量

RTK測量一般有以下幾步操作：

⑴點測量。

⑵點放樣。

⑶線放樣。

2 使用GPS進行長輸管道測量放線

2.1 前期準備工作

2.1.1 根據設計代表交樁，將中線成果表導入手簿中。

2.1.2 進行現場實地踏勘，找到2個以上控制點，并進行地方坐標轉換。

2.1.3 檢查和校驗GPS,根據現場實際情況，用2個以上精度較高的基準樁對儀器進行現場校驗。

2.1.4 準備木樁、記號筆、自噴漆等物品。

2.2 測量放線

使用點放樣功能查找轉角樁，使用線放樣對2個轉角樁之間的線路進行加密。

3 結束語

本文簡要介紹了RTK GPS技術在長輸管道上的應用，該技術對管道三穿、困難段的位置及環境實現了可視化對比。對施工計劃部署、提高工作效率和降低工作成本起到了關鍵作用。