GPS在长输管道施工中的应用

杨佳良 徐群成 张志东 高维明

（中国石油天然气管道局 中缅油气管道工程〈国内段〉EPC项目部管道一公司施工分部，云南 曲靖 655000）

1 GPS全球定位系统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的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、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信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值通过无线电数据链电台及时传递给共视卫星的流动站精化其GPS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。

精密GPS定位均采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值传输给流动站(DGPS)，这些都称为相对技术，以采用值的类型为依据可分为4类：

1）实时差分GPS，其精度为1m～3m；

2）广域实时差分GPS，其精度为1m～2m；

3）精密时差分GPS，其精度为1cm～5cm；

4）实时精密时差分GPS，其精度为1cm～3cm。

差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类。前两类定位误差的相关性，会随基准站与流动站的空间距离的增加而迅速降低。故RTK采用第三类方法。

RTK的观测模型为：

其中：

Φ——相位测量值，单位为m；

ρ——星站间的几何距离；

c——光速；

dT——接收机钟差；

dt——卫星钟差；

λ——载波相位波长；

N——整周未知数；

dtrop——对流层折射影响；

dion——电离层折射影响；

dpreal——相对论效应；

ε（Φ）——观测噪声。

因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射的影响在实际的数据处理中一般采用双差观测值方程来解算，在定位前需确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。

1.1.2 RTK 的系统组成

我们以美国拓普康导航有限公司生产的TC2000双频接收机为例介绍RTK系统组成。

拓普康RTK系统由两部分组成，如图1所示。

1.1.3 RTK 系统基准站的组成和作用

图1 拓普康RTK系统组成

RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成，如图2所示。

RTK系统基准站的作用是求出GPS实时相位差分改正值，然后将改正值通过数传电台及时传递给流动站以精化其GPS观测值，进而得到更为精确的实时位置信息。

图2 RTK系统基准站的组成

GPS-RTK作业能否顺利进行，关键因素是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它与无线电数据链电台本身的性能、发射天线类型、参考站的选址、设备架设情况以及无线电电磁环境等有关。

一般数据链电台采用400MHz～480MHz高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站接收天线之间没有遮挡信号的障碍物。这些障碍物在陆地上主要是建筑物、树林、无线电信号发射台等，在海上则主要是地球曲率的影响。

为了尽量避免参考站设备之间的干扰，在GPS-RTK作业时，大于25W的数据链电台的发射天线，应距离GPS接收天线至少2m，最好在6m以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。

电台所使用的频率和电台功率必须经过国家和当地无线电管理部门批准，使用时可能会受到某些限制。

RTK数据链无线电发射机（TRIMMRKⅡ）的工作频率为UHF频段（400MHz～480MHz），当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加。

1.1.4 RTK 流动站的组成和作用

图3 RTK系统流动站的组成

流动站的UHF电台接收基准站的信号，同时也接收相同的卫星信号，用配备的TSC1控制器进行实时解算。

流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。

基准站GPS接收机与TRIMMRKⅡ电台之间的数据传输波特率为38400，TRIMMRKⅡ电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400（见图3）。

为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对。选择的控制点应有代表性，并均匀地分布在整个测量区。

1）若基准站安置在已知点上，则输入已知点的坐标要进行坐标的转换（WGS—84转换成BJ54或其他坐标系）。

2）若基准站安置在未知点上，（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启动基准站时，则需输入该点的WGS—84坐标，进行坐标的转换（WGS—84转换成BJ54或其他坐标系）。

3）虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测量区内必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关。在放置好基准站并启动流动站后，用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比较，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须输入该点的原有坐标。

1.2 RTK定位测量的使用方法

1.2.1 RTK 定位测量的准备工作

RTK定位测量的准备过程如下：

1）外业踏勘。

2）收集资料。

3）制订观测计划。

4）星历预报。

5）器材准备：经检定合格的GPS接收机 [基准站+流动站 （含TSC1）]一套；12V/60A电源（含充电器），数据链电台一套；手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个）；每台GPS接收机配观测记录手簿一本。

6）运输工具：自备汽车或租车。

1.2.2 RTK 的作业方法

1）架设基准站

将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，架设电台和天线。

启动基准站，在TSC1控制器中进行如下操作：

按on/off键，打开TSC1控制器，则其自动调用主菜单。

选择Files(文件)来建立新工程如下：

⑴新建

⑵点击“继续”

⑶GPS+配置（点击GPS+配置）

⑷编辑（点击编辑）

⑸点击继续

⑹点击继续

⑺继续

⑻继续

⑼继续

⑽继续

⑾继续

⒀继续

⒁继续

⒂继续

⒃继续

⑿继续

⒄完成

⒅点击继续

⒆继续

⒇继续

(21)继续

(22)点击完成

2）启动基准站与流动站

打开基准站与流动站电源开关，点击TSC1控制器TopSURV（测量）图标，进入测量方式菜单，用蓝牙选中309（基准站）与326（流动站）并依次进行连接。

RTK测量时搜星数不能少于5颗；电台图标中若两个小灯交替闪亮，则表明无线电数据链已连接；“H”和“V”分别代表水平和高程精度；“PDOP”代表空间位置精度因子值；当RTK=FIXED（固定解）时，初始化完毕，可以开始测量；当RTK=float（浮点解）时，初始化不成功，必须等RTK=FIXED时方可测量。

3）开始测量

RTK测量一般有以下几步操作：

⑴点测量。

⑵点放样。

⑶线放样。

2 使用GPS进行长输管道测量放线

2.1 前期准备工作

2.1.1 根据设计代表交桩，将中线成果表导入手簿中。

2.1.2 进行现场实地踏勘，找到2个以上控制点，并进行地方坐标转换。

2.1.3 检查和校验GPS,根据现场实际情况，用2个以上精度较高的基准桩对仪器进行现场校验。

2.1.4 准备木桩、记号笔、自喷漆等物品。

2.2 测量放线

使用点放样功能查找转角桩，使用线放样对2个转角桩之间的线路进行加密。

3 结束语

本文简要介绍了RTK GPS技术在长输管道上的应用，该技术对管道三穿、困难段的位置及环境实现了可视化对比。对施工计划部署、提高工作效率和降低工作成本起到了关键作用。