GPS技术在长输管线工程控制测量中的应用

李景增,席小光

(1.沧州大化股份有限公司 聚海分公司,河北 沧州 061001;2.中国石油天然气管道工程有限公司 天津分公司工程勘察部,天津 300280)

GPS技术以其定位精度高、省时、省力成为控制测量的首选方案。实时动态(RT K)测量系统是以载波相位观测量为根据的实时差分 GPS测量技术,具有能够实现坐标实时解算的优点。在 RTK作业模式下,流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还可采集 GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果。GPS技术应用到长输管道可以显著提高作业效率和测量精度[1]。

近年来,随着管道事业的发展,特别是西气东输、西气东输二线、川气东送、中俄管线、中缅管线的铺设,传统测量方法已不能适应长输管线的应用和发展。GPS技术凭借其自身的优势,在长输管线的初测及详勘放样中的作用越来越大,是长输管线测量作业方面的一次技术革新。

1 工程概述

长岭—松原输气管道工程是近年吉林油田的重点工程,主线地形复杂,地貌多样,沼泽地多,沟渠纵横,穿越大型河流、公路,视线遮挡比较严重,地势起伏较大。

为满足长岭 1号气田高含CO2天然气外输的需要,修建一条天然气外输管线,下游用户为吉林油田热电厂和前郭石化大化肥厂。管线设计压力为5.5MPa,设计输量为10×108m3/a,并兼顾远期最大输量为14.32×108m3/a,管径为457 mm,采用 L360直缝电阻焊接钢管。管道全线位于吉林省松原市境内,主线长度为80.59 km。新建输气站场 3座、线路截断阀室 3座。

2 控制测量

2.1 布设 GPS控制网

长输管线测量的第一步工作是控制测量,控制测量工作包括平面控制测量和高程控制测量。平面控制测量采用静态GPS控制网,高程控制测量采用 GPS高程拟合法并与国家等级水准点进行联测,以保证其精度。本次作业采用美国天宝 GPS接收机。

在 GPS控制网的建立过程中,按照《长距离输油输气管道测量规范》布设控制点,线路的起点、终点和线路长度大于30 km的点均与国家或其他控制点联测,并采取相应措施削弱长度变形。布设的 GPS控制网应满足以下几个条件:

1)作为导线起闭点的 GPS应成对出现;

2)尽量选在交通方便的地方,当边长较长时,还应顾及周围的通信设施,如高压线、微波发射塔等;

3)每对点与相邻一对点的间隔不大于10 km;

4)加强线路控制网的图形因子,形状类似线形锁。

长岭—松原输气管道工程的控制网如图 1所示。

2.2 静态 GPS控制测量作业

图1 管道工程控制网

2.2.1 选择作业时段

管线沿线地物地貌复杂多变,为获取完整的数据,必须根据卫星可见预报和天气预报选择最佳观测时段。卫星的几何分布越好,定位精度就越高。卫星的分布情况可用Planning软件查看多项预测指标,根据预测结果合理安排工作计划。

2.2.2 基站选定

基准站的架设位置至关重要,除满足 GPS静态观测的条件外,每次作业前一定要将基准站架设在周围开阔并足够高的地方[2],便于电台发射。为了保证测量精度,接收机一般架设在各测段的中部,可设在WGS84坐标的已知点上,也可未知点设站。

2.3 RTK控制测量作业

将基准站接收机设在基准点上进行设置。采用1+2测图作业模式:基准站1人;流动站4人,其中2人操作GPS,2人记录。作业时,中线各100 m采点均匀,中线附近要采得仔细。流动站接收机开机后,首先进行系统设置,输入参数,再进行流动站的设置和通常公布的坐标系统,大地水准面模型不考虑投影中的当地偏差,因此要通过点校正来减少这些偏差,获得更精确的当地网格坐标,确保作业区域在校正的点范围内。

为了保证实时动态测量(RTK)的准确性,采用如下几点方法:

1)求转换参数,测量过程中,每一站要选取残差少、精度相对稳定的控制点解算转换参数,尽量加入多余观测量检核。

2)减小作业半径,基准站与流动站的距离越近,求得的固定解越稳定,精度也越高。

3)基准站尽量设置在地势较高、开阔的控制点上,保证电台信号发射、接收的稳定性。

4)在对测量干扰较大的地点采集数据时要适当延长观测时间。

5)根据工程的特点,在进行地形图绘制时,加强对图形关键点的检核,保证工程的精度。最后得出长岭-松原输气管道工程控制点最终成果。

3 影响控制网精度的因素

由于线路控制测量采用 GPS网,所以GPS网的精度直接影响线路的精度。GPS测量的误差来源主要可分为:与 GPS卫星有关的误差,与信号传播有关的误差,与接收设备有关的误差,如图 2所示。

图2 GPS误差来源

3.1 与卫星有关的误差

3.1.1 卫星星历误差

卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差。它是一种起始数据误差。星历误差是 GPS测量的重要误差来源。

3.1.2 卫星钟差

卫星钟差是指 GPS卫星时钟与 GPS标准时间的差别。这是一个系统误差。

3.1.3 SA干扰误差

SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用 GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策,简称 SA政策,它包括降低广播星历精度的ε技术和在卫星基本频率上附加一随机抖动的δ技术。

3.2 与传播途径有关的误差

3.2.1 相对论效应的影响

这是由于卫星钟和接收机所处状态(运动速度和重力位)不同引起的卫星钟和接收机钟间的相对误差。

3.2.2 电离层折射

当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号路径要发生弯曲,传播速度也发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种影响称为电离层折射。可用3种方法来减弱它的影响:一是利用双频观测值,利用不同频率的观测值组合对电离层的延尺进行改正;二是利用电离层模型加以改正;三是利用同步观测值求差。

3.2.3 对流层折射

GPS信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种现象称为对流层折射。减弱影响主要有3种措施:其一,采用对流层模型加以改正,其气象参数在测站直接测定;其二,引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得;其三,利用同步观测量求差。

3.2.4 多路径效应

测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉,从而使观测值偏离,产生所谓的“多路径误差”。减弱多路径误差的方法主要有:选择合适的站址,测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应离开高层建筑物;选择较好的接收机天线,在天线中设置径板,抑制极化特性不同的反射信号。

3.3 与 GPS接收机有关的误差

3.3.1 接收机钟差

GPS接收机一般采用高精度的石英钟,接收机的钟面时与 GPS标准时之间的差异称为接收机钟差。

3.3.2 接收机的位置误差

接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差称为接收机位置误差。其中包括天线置平和对中误差,量取天线高误差。在精密定位时,要仔细操作,尽量减少这种误差影响。

3.3.3 接收机天线相位中心偏差

这种偏差的影响可达数毫米至厘米。而如何减少相位中心的偏移是天线设计中的一个重要问题。

4 结束语

GPS-RTK测量凭借其技术优势,提高了生产效率和观测结果的可靠性,有效地降低了现场施工成本,为管道建设和项目管理工作做出了巨大贡献,具有很高的实用价值[3]。 RTK长输管道测量作业方法广泛应用于大型管道工程测量中,并取得了良好的效果。

[1]桑悦,江斌,刘岩,等.RTK技术在长输管道测量中的应用 [J].石油工程建设,2010,36(2).

[2]王永弟,樊增龙,杨雷生,等.RTK在川豫鲁天然气管道工程测量中的应用 [J].测绘信息技术与工程,2006,31(3).

[3]于涛.RTK系统在西气东输二线数字化管道中的应用[J].管道技术与设备,2010(6).