GPS定位技术在燃气工程测量的应用

GPS定位技术在燃气工程测量的应用

2012-7-17魏全明

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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 measurem ent and its advantages and application of real time kinematic(RTK)tech nology to gas engineering measurement are expounded.

Key words：gas engineering measurement；GPS technology；real time kinem atic(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G PS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