摘要：论述了燃气工程测量内容和要求，传统的燃气工程测量方法，GPS定位技术测量及其优势，网络RTK技术在燃气工程测量中的应用。
关键词：燃气工程测量；GPS定位技术；实时动态(RTK)测量系统；网络RTK技术
Application of GPS Technology to Gas Engineering Measurement
WEI Quanming
Abstract：The content and requirements of gas engineering measurement，traditional gas engineering measurement method，GPS technology measurement and its advantages and application of real time kinematic(RTK)technology to gas engineering measurement are expounded.
Key words：gas engineering measurement；GPS technology；real time kinematic(RTK) measurement system；network RTK technology
1 概述
燃气工程测量主要是对埋地燃气管道的测量，其内容包括定线测量和竣工测量。定线测量主要依据地下燃气管道施工图，将设计的燃气管道平面位置在现场放出，并确定高程控制点点开挖深度。燃气工程竣工测量主要在覆土前对燃气管道的起点、终点、坡度变化点、转折点、阀门、三通、直线点(直线段两点距离不大于50m)、管道附属设备等管道节点进行平面和高程测量，出具测量报告和燃气管道测量成果表。GPS定位技术出现后，主要用于精度要求不高、误差在5～15m范围的车载定位导航。近几年随着通信和网络技术发展，GPS定位技术定位精度不断提高，达到工程测量厘米级精度的要求，传统的测量角度、距离、高程的测量方法，正在逐步被GPS定位测量的新技术替代，GPS定位技术在工程测量中开始了广泛的应用。
2 燃气工程测量技术要求
CJJ 61—2003《城市地下管线探测技术规程》对地下管线测量的精度要求为管线点平面中误差(指测点相对于邻近平面控制点)不应大于±5cm，管线点的高程中误差(指测点相对于邻近的高程控制点不大于±3cm。
3 传统的燃气工程测量方法
传统的测量方法是用测量仪器测量角度、距离、高差，然后进行相关的计算完成三维坐标测量的方法，传统测量通常按从整体到局部、由高级到低级、先控制测量后管线节点狈4量原则进行作业。
① 建立测区基本控制网(点)
根据作业任务和范围，在测区内选择一定数量的具有控制作用的地面点，并在地面点建立固定的测量标志，用相应精度的仪器和观测方法，测定这些点的平面位置和高程，建立测区内统一的平面和高程控制网(点)，作为后续测量工作的基础。这种按较高精度首先建立的一定数量的地面点叫做基本控制点。一般采用导线测量建立平面坐标，高程控制用水准测量或三角高程测量方法建立。深圳市已经在全市范围内布设了城市一级导线，测区基本控制网在此基础上布设二级或三级城市导线。
② 图根控制测量
测区内按照上述方法建立的基本平面控制点和高程控制点的数量是有限的，其密度对燃气工程测量节点是远远不够的。在测区基本控制点之间增加一定数量的比测区基本控制点精度低一些的控制点，叫做图根控制点。
③ 管道节点测量
以测区内图根控制点为测量依据，进行燃气工程管道施工测量或竣工测量，竣工测量与深圳市大比例尺等精度衔接。通常用全站仪(可以测量角度、距离并能计算坐标的仪器)完成管道节点的测量。
4 GPS定位技术测量
4.1 GPS系统的组成
全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国国防部为其军事需要而研制的全球性的卫星导航与定位系统，由3大部分组成。
① 空间部分(GPS卫星及其星座)
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星所组成，记作(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道平面内有4颗卫星运行，距地面的平均高度为20200km。6个轨道平面相对于地球赤道面的倾角为55°，各轨道面之间交角为60°，每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。当地球自转360°时，卫星绕地球运行2圈，每12h环绕地球运行1周。观测者至少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗卫星。
② 地面控制部分
地面控制部分由1个设立在美国本土的主控站，3个分设在大西洋、印度洋、太平洋美国空军基地上的注入站，5个分设在夏威夷、主控站、注入站的监测站组成。
③ 用户设备部分
用户设备主要是GPS信号接收机，该机是由天线、微处理机及其终端设备、电源等硬件和支持接收机硬件实现其功能、完成导航和定位的软件组成。
接收设备的主要功能就是测量GPS信号，获取必要的信息和需要的观测量，通过数据处理完成导航和定位任务。
4.2 GPS卫星信号
GPS卫星发射频率为1575.42MHz的L1和频率为1227.60MHz的L2载波信号，在L1与L2上加载和传送多种码(现代数字通信中，普遍使用二进制数“0”和“1”及其组合来表示各种信息，称其为码)信号。
① C/A码
C/A码的精度低，又称为粗捕获码，码的结构是公开的，可供广大用户使用。
② P码
P码结构不公开，又称为精码，专供美国军方及特许用户使用。
③ GPS卫星的导航电文(D码)
包含了有关卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由C/A码捕获P码等导航信息的数据码(D码)。
4.3 GPS卫星定位的基本原理
GPS定位原理，就是用4颗卫星来确定GPS接收机的位置。根据几何知识，空间3个点就可以确定1个圆，两个圆相交除了两圆重合的特殊情况外，只有2个交点。地面GPS接收机通过接收卫星信号确定3颗卫星位置和到这3颗卫星的距离后，就可以确定2个圆，其交点一个是3颗卫星中中间的那一颗，另一点就是GPS接收机的位置。理想情况下观测3颗卫星就可以定位了，但卫星信号存在一些无法避免的误差，使定位精度降低，也会导致定位错误，为了校正定位误差，保证定位有效，就需要多观测1颗卫星进行定位。也就是说GPS接收机能观测到4颗卫星，就能唯一确定GPS接收机所在的位置。
4.4 静态定位与动态定位
① 静态定位
如果在定位时，接收机的天线在跟踪GPS卫星过程中，处于固定不动的静止状态，这种定位方式称为静态定位。由于接收机位置是固定在测站点上的，就可以进行大量重复观测，高精度地测定GPS信号传播时间，因此静态定位可靠性强、定位精度高，是测量工程中精密定位的基本方式。静态定位通常采用2台(或2台以上)GPS接收机，分别安置在一条或数条基线的两端，同步观测4颗以上卫星，每时段根据测量等级和基线长度确定相应的观测时间。通常观测点可以达到±(5+1×10-6D)mm的定位精度，D为基线的长度(单位为km)，观测结束后进行专门的数据处理才能得到精确的成果。
② 动态定位
如果接收机位于运动着的载体，实时测定GPS信号接收机的瞬间位置，这种定位方式叫做动态定位。和静态定位相比，动态定位GPS接收机在野外观测点能实时测出天线的位置，不需要测后专门的数据处理，其定位精度比静态精度要低。
4.5 RTK与网络RTK
① RTK技术
实时动态(Real Time Kinematic，RTK)测量系统属于动态定位，RTK出现以前的GPS测量都需要事后进行解算才能获得厘米级精度，而RTK在野外能够实时得到厘米级的定位精度。其工作原理是在测区高处安置一台GPS接收机作为基准站，另一台或几台接收机置于观测点(称为流动站)，基准站和流动站同时接收同时间、同一GPS卫星发射的信号。基准站所获得的观测值与已知位置对比，得到GPS差分改正值，将改正值通过无线电数据链及时传递给对应流动站，修正其GPS观测值，流动站得到差分改正后较准确的实时位置。
② 网络RTK技术
网络RTK技术实际上是一种多基准站技术，将多个参考站(固定基准站)数据联合处理，该方法集Internet技术、无线通信技术、计算机网络管理和GPS定位技术为一体的系统，包括通信控制中心、参考站、流动站部分。
网络RTK技术系统类型主要有美国天宝公司的VRS(Visual Reference Station)、瑞士莱卡公司的MAX、日本拓普康公司的TOPnet、中国华测公司的APIS等。
③ 深圳SZCORS系统
深圳市连续运行卫星定位服务系统(Shenzhen Continuously Operating Reference Stations System，简称SZCORS)，采用美国天宝公司VRS网络RTK技术，在深圳市设置5个连续运行GPS参考站，参考站间平均距离为25km左右，通信控制中心将5个参考站的数据联合处理后，实时向各流动站提供经过检验的观测值、差分改正值，改正流动站GPS观测值，使其达到厘米级实时定位精度要求，是我国第一个连续运行参考站系统。2001年9月建成并投入试验和试运行，全天候地向深圳地区流动站提供服务。由于厘米级实时定位达到燃气工程测量要求，因此SZCORS系统在燃气工程测量中开始应用。
5 GPS定位技术与传统测量对比
由于我们在燃气工程测量中主要使用网络RTK系统，因此对比主要是工程测量中网络RTK与传统测量的对比。网络RTK有以下优势。
① 直接测出燃气节点的三维坐标
传统测量是用测量仪器进行角度、距离、高差测量并记录、计算、整理得出某一点的坐标x，y，z，也就是测量成果，定线测量也是在实地用仪器将设计坐标通过角度和距离定出。
网络RTK定位测量，流动站只需要购置一台动态GPS接收机，其国产接收机价格(3～4)×104元左右，进口接收机价格(8～10)×104元左右，在深圳市国土局开户申请购买SZCORS卡并安装，开户费用为1000元左右，并按数据流量收取费用。流动站由GPS接收机、对中杆、RTK电子手簿组成。接收机是将天线、微处理机、电源、通信模块合为一体的装置，对中杆上部连接接收机，底部与地面测量点接触对中，接收机与RTK电子手簿通过蓝牙无线连接或数据通信线连接。一个人操作一台GPS接收机，读取天线高度并录入电子手簿，对中杆和地面点接触对中，进入SZCORS模式下，通过操作电子手簿完成观测。在一个测区范围外分别在深圳市城市控制网3个一级导线点(测区附近)上观测，并将观测的WGS84(美国国防部研究确定的大地坐标系)的坐标与深圳独立坐标相对应，电子手簿自动换算出两个坐标系的转换参数，将WGS84坐标转换为深圳坐标，这样用流动站的GPS接收机观测后就直接显示出燃气节点的3维深圳独立坐标。若到另一个测区，重新按上述方法求转换参数，操作比较简便，自动化程度高。
② 测量速度快、用时少
无论是定线测量还是竣工测量，采用网络RTK测量方法，在测区直接测出燃气工程节点的坐标和高程，比常规测量用全站仪进行施工测量和竣工测量时燃气节点数据的采集速度大幅提高。通常情况下一个燃气特征点测量30s完成数据采集，图根控制测量只需要观测时间大于3min就可以完成。无论节点的测量还是图根控制测量，只要一个人操作一台接收机就可以完成。传统测量需要两位立标杆人员和一位仪器操作员共3个人，操作员在测站操作仪器并和立标杆人配合，平均约2min完成一个燃气节点的测量，完成一个图根控制测量的平均时间是10min左右。网络RTK测量用的时间比采用传统测量方法用的时间少。
③ 工作量少、效率高
网络RTK观测不受天气因素的影响，可以进行全天候作业，一个人用一台接收机就可以完成网络RTK直接测量燃气节点，减少了测区基本控制和图根控制测量，相应减少了工作量；减少在测区周围寻找大量的控制点；其余工作由接收机自动完成，减少了许多工作量和降低劳动强度；传统测量是两人在测点立标杆，另一人在测站操作仪器进行观测，共需要3个人才能完成任务，而网络RTK只需要一个人就可以完成。由于以上原因，原来一个测区的工作需要3d完成，用网络RTK测量通常只需要1d就可以完成任务，燃气工程测量效率大幅度提高。
④ 无累计误差
RTK网络覆盖全市范围，在深圳GPS测量的成果精度均等，而传统测量由整体到局部分级测量，存在累计误差。GPS测量消除了传统测量的误差累计，提高了成果精度，测量精度有保障。以天宝5800GPS接收机为例，其标称水平精度为±(1+1×10-6D)cm，垂直精度为±(2+1×10-6D)cm。实际观测时，平面和高程误差在电子手簿实时显示，在平面误差显示为2cm，高程误差为3cm时，就认为观测结果合格，保存数据，观测结束。可以理解为此误差是相对于城市一级导线的，燃气工程要求误差通常是相对于图根控制点的，用移动站直接测量燃气工程管道节点的坐标和高程，其精度比传统测量的精度高，满足城市测量规范对地下管线测量的精度要求。
⑤ 成本低
一个人用一台接收机就可以完成网络RTK测量，传统测量需要两位立标杆人员和一位仪器操作员，人员由3人减为1人，人力成本减少。相对于传统测量，减少了控制测量，相应费用减少，接收卫星信号是免费的。工作效率大幅提高，测量时间较少，相应管理费用减少，测量成本比传统测量低。
⑥ 可与常规测量配合使用
在用网络RTK进行管线测量时，有时可能卫星信号被建筑物或树等物体遮挡，流动站无法接收到卫星信号，观测无法进行。此时选择在测区开阔信号好的地方，用网络RTK方法建立图根控制点，观测时间大于3min就直接测出图根控制点的坐标和高程，再用传统的测量仪器进行燃气施工与竣工测量。
⑦ 可与GIS配合使用
深圳燃气集团规定，对新的燃气工程测量成果录入GIS系统前，必须对燃气工程测量成果进行复核。用网络RTK在SZCORS模式对测量成果实地实时检查，工作量少，效率高，劳动强度低，能较快地完成测量复核。燃气管网接线点、抢修点等管网有变化的地方，直接用流动站观测后，结果储存在电子手簿中，并将管道节点位置和相关属性传输回GIS系统修改相关数据，及时准确完成燃气管道的数据变更。
6 结语
和常规测量比较，网络RTK实时动态定位技术以其速度快、精度高、成本低、效率高等特点，正在取代传统的测量技术，在各个方面逐步开始应用。据报道，到2020年，我国北斗卫星导航系统将发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，成为一个向全球提供服务的卫星导航系统。届时，接收机可以同时接收北斗系统和GPS系统信号，成本更低，定位速度更快、精度更高，卫星定位技术将有更广泛的应用。
(本文作者：魏全明 深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518172)
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