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(shí)、省力成為控制測(cè)量的首選方案。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RT K)測(cè)量系統(tǒng)是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分 GPS測(cè)量技術(shù),具有能夠?qū)崿F(xiàn)坐標(biāo)實(shí)時(shí)解算的優(yōu)點(diǎn)。在 RTK作業(yè)模式下,流動(dòng)站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還可采集 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,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。GPS技術(shù)應(yīng)用到長(zhǎng)輸管道可以顯著提高作業(yè)效率和測(cè)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(cè)量方法已不能適應(yīng)長(zhǎng)輸管線的應(yīng)用和發(fā)展。GPS技術(shù)憑借其自身的優(yōu)勢(shì),在長(zhǎng)輸管線的初測(cè)及詳勘放樣中的作用越來越大,是長(zhǎng)輸管線測(cè)量作業(yè)方面的一次技術(shù)革新。

1 工程概述

長(zhǎng)嶺—松原輸氣管道工程是近年吉林油田的重點(diǎn)工程,主線地形復(fù)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(yán)重,地勢(shì)起伏較大。

為滿足長(zhǎng)嶺 1號(hào)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(jì)壓力為5.5MPa,設(shè)計(jì)輸量為10×108m3/a,并兼顧遠(yuǎn)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(zhǎng)度為80.59 km。新建輸氣站場(chǎng) 3座、線路截?cái)嚅y室 3座。

2 控制測(cè)量

2.1 布設(shè) GPS控制網(wǎng)

長(zhǎng)輸管線測(cè)量的第一步工作是控制測(cè)量,控制測(cè)量工作包括平面控制測(cè)量和高程控制測(cè)量。平面控制測(cè)量采用靜態(tài)GPS控制網(wǎng),高程控制測(cè)量采用 GPS高程擬合法并與國家等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),以保證其精度。本次作業(yè)采用美國天寶 GPS接收機(jī)。

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

1)作為導(dǎo)線起閉點(diǎn)的 GPS應(yīng)成對(duì)出現(xiàn);

2)盡量選在交通方便的地方,當(dāng)邊長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí),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(duì)點(diǎn)與相鄰一對(duì)點(diǎn)的間隔不大于10 km;

4)加強(qiáng)線路控制網(wǎng)的圖形因子,形狀類似線形鎖。

長(zhǎng)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(cè)量作業(yè)

圖1 管道工程控制網(wǎng)

2.2.1 選擇作業(yè)時(shí)段

管線沿線地物地貌復(fù)雜多變,為獲取完整的數(shù)據(jù),必須根據(jù)衛(wèi)星可見預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)選擇最佳觀測(cè)時(shí)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(xiàng)預(yù)測(cè)指標(biāo),根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果合理安排工作計(jì)劃。

2.2.2 基站選定

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

2.3 RTK控制測(cè)量作業(yè)

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

為了保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量(RTK)的準(zhǔn)確性,采用如下幾點(diǎn)方法:

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

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

3)基準(zhǔn)站盡量設(shè)置在地勢(shì)較高、開闊的控制點(diǎn)上,保證電臺(tái)信號(hào)發(fā)射、接收的穩(wěn)定性。

4)在對(duì)測(cè)量干擾較大的地點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)要適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。

5)根據(jù)工程的特點(diǎn),在進(jìn)行地形圖繪制時(shí),加強(qiáng)對(duì)圖形關(guān)鍵點(diǎn)的檢核,保證工程的精度。最后得出長(zhǎng)嶺-松原輸氣管道工程控制點(diǎn)最終成果。

3 影響控制網(wǎng)精度的因素

由于線路控制測(cè)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(cè)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(hào)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(shí)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(cè)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(shí)鐘與 GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的差別。這是一個(gè)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(jìn)行高精度點(diǎn)定位而采用的降低系統(tǒng)精度的政策,簡(jiǎn)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(jī)抖動(dòng)的δ技術(shù)。

3.2 與傳播途徑有關(guān)的誤差

3.2.1 相對(duì)論效應(yīng)的影響

這是由于衛(wèi)星鐘和接收機(jī)所處狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)速度和重力位)不同引起的衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘間的相對(duì)誤差。

3.2.2 電離層折射

當(dāng)GPS信號(hào)通過電離層時(shí),與其他電磁波一樣,信號(hào)路徑要發(fā)生彎曲,傳播速度也發(fā)生變化,從而使測(cè)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(cè)值,利用不同頻率的觀測(cè)值組合對(duì)電離層的延尺進(jìn)行改正;二是利用電離層模型加以改正;三是利用同步觀測(cè)值求差。

3.2.3 對(duì)流層折射

GPS信號(hào)通過對(duì)流層時(shí),也使傳播的路徑發(fā)生彎曲,從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差,這種現(xiàn)象稱為對(duì)流層折射。減弱影響主要有3種措施:其一,采用對(duì)流層模型加以改正,其氣象參數(shù)在測(cè)站直接測(cè)定;其二,引入描述對(duì)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(cè)量求差。

3.2.4 多路徑效應(yīng)

測(cè)站周圍的反射物所反射的衛(wèi)星信號(hào)(反射波)進(jìn)入接收機(jī)天線,將和直接來自衛(wèi)星的信號(hào)(直接波)產(chǎn)生干涉,從而使觀測(cè)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(cè)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(jī)天線,在天線中設(shè)置徑板,抑制極化特性不同的反射信號(hào)。

3.3 與 GPS接收機(jī)有關(guān)的誤差

3.3.1 接收機(jī)鐘差

GPS接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘,接收機(jī)的鐘面時(shí)與 GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異稱為接收機(jī)鐘差。

3.3.2 接收機(jī)的位置誤差

接收機(jī)天線相位中心相對(duì)測(cè)站標(biāo)石中心位置的誤差稱為接收機(jī)位置誤差。其中包括天線置平和對(duì)中誤差,量取天線高誤差。在精密定位時(shí),要仔細(xì)操作,盡量減少這種誤差影響。

3.3.3 接收機(jī)天線相位中心偏差

這種偏差的影響可達(dá)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(jì)中的一個(gè)重要問題。

4 結(jié)束語

GPS-RTK測(cè)量憑借其技術(shù)優(yōu)勢(shì),提高了生產(chǎn)效率和觀測(cè)結(jié)果的可靠性,有效地降低了現(xiàn)場(chǎng)施工成本,為管道建設(shè)和項(xiàng)目管理工作做出了巨大貢獻(xiàn),具有很高的實(shí)用價(jià)值[3]。 RTK長(zhǎng)輸管道測(cè)量作業(yè)方法廣泛應(yīng)用于大型管道工程測(cè)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(zhǎng)輸管道測(cè)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(cè)量中的應(yīng)用 [J].測(cè)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).