GPS定位技術在油氣管道工程測量中的應用

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

進入21 世紀以來，測繪行業飛速發展，全球定位系統（GPS）得到了廣泛的運用， 而石油天然氣工程建設是我國較早使用這一先進技術的行業之一。據有關部門統計，在石油行業中GPS 接收機的數量是最多的。 如今，全球定位系統在石油管道測量過程中是比較常見的，無論是國外還是國內的大、中型項目都在使用這一技術，但是不同行業的單位都有相適應的規范或技術規定，不是統一的要求，都是各自為戰、自成體系，導致很多大型工程不同標段間的控制點精度難以統一， 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的從設計到施工的作業單位就有數十個， 他們在工程的建設過程中都使用了全球定位系統，雖然在工程開工前對這一技術有所規定，但各單位使用的儀器和作業習慣各不相同， 產生了施工與設計的銜接困難和各標段的銜接困難等問題。 與此同時，各作業單位在使用全球定位系統之前也都做了一些實驗與測試，積累了不少經驗，對管道工程建設中熟練使用這一技術到了積極作用。

油氣管道工程屬于線形工程， 它的測量與放樣工作基本都處于一個狹長區域內， 行業特征決定了它對精度的要求相對不高。 最近一二十年，由于城鎮規模的快速擴張及人為損壞等一些原因， 我國水準點以及三角點的完好率一般只在百分之十五左右，留下來的點位精度大多也不能滿足現行坐標系統（CGCS2000坐標系）下的規范要求。 近幾年國家等級GPS 控制點的建設，解決了工程首級控制點聯測精度不高的大難題。 在油氣管道工程建設中，《油氣輸送管道測量規范》 中首級控制和線路控制為GPS D、E 兩個等級，其中D 級為國家等級點加密控制測量，E 級為線路控制測量。 在實際的操作過程中，如果發現沿線的國家等級點數量較少時，就要在國家等級點下進行加密控制測量， 緊接著在其下進行線路控制測量，相反，如果沿線的國家等級點數量較多時，就可以采用越級布設法，直接布設線路控制點。

二、GPS 定位技術

全球定位系統（GPS）是有美國研發的，利用GPS 定位衛星，在全球范圍內實時進行定位、導航的系統。 它將空間衛星組的定位信息通過地面控制系統傳送給用戶接收設備， 修正后的定位精度可達厘米級甚至毫米級[1]。

1、GPS靜態測量

控制網具有控制全局，限制測量誤差累積的作用，是各項測量工作的依據。 對于地形測圖， 等級控制是擴展圖根控制的基礎， 以保證所測地形圖能互相拼接成為一個整體。 對于工程測量，常需布設專用控制網，作為施工放樣和變形觀測的依據。

油氣管道工程的控制測量主要為加密國家等級點測量和線路控制點測量。

（1） 加密國家等級點測量

對于那些要求要有采用國家坐標的GPS 網來說， 聯測高級別的控制點是不可缺少的。 GPS 網提供的約束條件包括方位角條件、邊長條件以及坐標條件，所以至少要聯測兩個以上的國家大地點或GPS 控制點才行。根據近幾年國內外的研究經驗可知，聯測3 至6 個分布合理、 精度較高的國家等級控制點是很有必要的。

在油氣管道工程測量中， 加密國家等級測量主要是針對大地點標石破換嚴重、 國家大地點聯測較難或GPS 控制點過少等情況實施的， 是全球定位系統在油氣管道工程測量中的一個重要應用。加密控制網按GPS D 級技術要求施測，沿線路按點對布設，構成由四邊形或大地四邊形組成的帶狀網；點對見的距離為8km～15km，最長不超過20km；組成點對的兩點間互相通視，其間距大于400m；線路的起終點、隧道兩端、大中型穿（跨）越以及大型場站等附近布設GPS 點對。 其中組成點對的兩點之間的距離要大于400m，最好不要小于300m，這主要是考慮了到導線聯合測量的方便性。聯測高等級GPS 點個數在3 個及以上時，要在網中均勻分布，特殊情況下聯測2 個時，要分布在網的兩段；聯測點的間距要小于100km。 外業施測前要驗證聯測點的精度。

國家等級點加密控制點的高程現多采用GPS 擬合高程測量，GPS 擬合高程測量與GPS 平面控制測量同步進行。對于地形平坦的小測區可采用平面擬合模型，對于路由高山地、山地、戈壁、沙漠、平原的大面積測區要采用曲面擬合模型，外業觀測采用靜態模式， 內業數據處理一般使用GPS 測量儀器的配套軟件操作。

（2）線路控制測量

早期的管道工程線路控制測量常用附和導線測量方式施測，隨著GPS 測量技術的不斷完善與成熟，以及GPS 定位儀器價格的不斷下降， 用GPS 做線路控制測量成為目前各建設單位最青睞的選擇。 不同工程項目的線路測量技術要求有所不同，所以運用GPS 定位測量時需要根據線路測量的要求布置控制點的密度。 通常情況下，平原地區的控制點間距控制在4km 左右；山區的間距控制在2km 左右。在按照線路布置控制點時，考慮到后期施工可能造成的破壞， 不宜將線路的中線轉點用于線路控制點，這一點與《油氣輸送管道測量規范》略有不同。

線路控制測量的外業觀測多采用靜態測量或快速靜態測量，內業數據處理采用隨機軟件操作，必要是用第三方軟件的成果進行檢核。 當外部條件允許和測量儀器精度能滿足要求時，也可采用實時動態GPS-RTK 施測。

2、GPS實時動態測量

GPS 實時動態測量RTK 和VRS 是目前常用的GPS 測量方法。 虛擬參考站技術（VRS）是新興的一種RTK 技術。

（1） RTK 測量

GPS 實時動態測量RTK（Real Time Kinematic）技術是基準站通過電臺將測站坐標信息傳送給流動站，不需數據后處理，在野外實時獲得厘米級定位精度的測量方法[2]。 是GPS 定位技術不斷發展中出現的一個新突破， 它將測量技術與數據傳輸技術結合在一起，形成了一個跨時代的測量系統，相比傳統測量，RTK測量技術具有定位精度高、操作簡單、自動化成都高、施測距離遠等諸多優勢，已在路橋、電力、能源、水利等工程建設及基礎測繪中得到普及應用。 在油氣管道工程測量中，RTK 技術也得到了廣泛的應用。但是由于RTK 技術的測量精度受限于空天條件、有效衛星數量、電臺覆蓋范圍等影響，會產生一定的周跳點，導致一些人在工程中運用RTK 技術時心有疑慮。所以在應用RTK 技術時，需要進行必要的檢核，而測圖時產生的個別周跳，可以結合實地情況，用等高線曲線擬合的方式加以剔除，確保測量結果的準確性。 這樣RTK 技術才能夠得到更好的使用。

（2） VRS 測量

常規RTK 測量中，需要架設本地基準站、測量誤差隨距離的增長而變大、電臺功率影響測量范圍。虛擬參考站技術VRS 的出現，解決上述問題。 VRS（Virtual Reference Station）系統包括3 個部分∶控制中心、固定參考站和用戶部分。首先在一定區域內架設一定數量的基準站，基站接收衛星信號，然后將信息傳送至信息處理中心，移動站先將接收機的位置信息發送到數據處理中心，數據處理中心會根據移動站的位置， 選擇附近幾個位置比較好的基準站信息，“虛擬”出一個參考站，然后，將虛擬出的參考站改正數據播發給移動站， 這樣流動站測出的數據精度就能達到厘米級[3]。

VRS 技術是新興的測量技術，隨著全國固定參考站（CORS）的不斷增加，這項新技術將能在工程建設中發揮更大的作用。 目前油氣管道工程測量中，地形圖的測繪已開始嘗試使用該技術，其測量精度穩定、恒定、可靠，滿足相關規范要求，無需架設本地基準站、操作簡單，節省了控制測量的費用。 相信會被更多的管道建設單位所接納。

三、結語

全球定位系統(GPS)測量技術在油氣管道中得到了很好的應用，隨著科技的進步，其新技術的出現以及更高級測量儀器的投入使用，GPS 測量技術將會為工程建設帶來更大的便利。 同時，我們也應該認識到該技術在應用過程中仍存在一定的不足，要加強測量檢核以確保結果的準確性和可靠性， 必要的時候還需要水準儀、全站儀等傳統測量設備的輔助，所以GPS 測量技術仍存在進一步完善的空間。 只要儀器生產商盡量克服自身的缺陷，測繪工作者正確使用該技術，GPS 測量技術將能更好地為油氣管道測量服務，促進管道建設行業更快地發展。

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

[2] 李云濤，高紅梅，詹英.淺談RTK 技術在客運專線施工測量中的應用[J].測繪與地理空間信息，2013,36(3)：182－183

[3] 李曉亮，董博.網絡RTK 技術在城市規劃測量中的應用[J].北京測繪，2013(1)：91－94.