VRS技術在管道工程測量中的應用

呂紅濤 方廣杰 舒 飛

中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000

0 前言

在長距離油氣管道工程建設領域，管道帶狀地形圖、隧道地形圖、穿跨越及場站地形圖通常使用航空攝影測量、傳統RTK(Real Time Kinematic)技術、全站儀測量等儀器設備完成［1］。隨著測繪新設備、新技術的快速發展，機載激光雷達測量、VRS（Virtual Reference Stations）技術等也開始在管道測量中使用，并初見成效。

VRS技術是集Internet技術、無線通信技術、計算機網絡管理和GPS定位技術于一身的新興定位技術。VRS技術能否應用于油氣管道工程測量，其測量精度是否滿足行業規范的各項要求，本文結合工程實踐，對VRS技術的優勢進行了分析，為今后油氣管道工程測量提供了借鑒。

1 RTK技術與VRS技術對比

RTK技術是現代測繪常用的GPS測量方式。VRS技術的出現把RTK技術推向了一個更趨完美的地步，代表了網絡RTK技術以及GPS的發展方向。

1.1 RTK技術及其局限性

RTK技術是GPS實時動態定位的簡稱，是一種將GPS與數據傳輸技術相結合，實時解算和處理數據，在1～2 s內得到高精度三維定位技術。它的出現為工程放樣、地形測圖和低等級控制測量帶來了曙光。RTK技術的優點：作業自動化、集成化程度高，測繪功能強大；對通視條件、能見度、氣候、季節等因素的要求低；定位精度高，數據安全可靠；操作簡便、數據處理能力強；作業效率高。

RTK技術在應用過程中，存在一定的局限性，主要表現：需架設本地的參考站（基準站）；誤差隨距離的增長而增大；電臺功率使流動站和參考站距離受到限制（＜15 km）；可靠性和可行性隨距離的增長而降低。

1.2 VRS技術組成、工作原理及優勢

VRS技術包括：控制中心、固定參考站和用戶部分［2］。控制中心是整個系統的核心，既是通信控制中心，也是數據處理中心。它通過通信線(光纜、ISDN、電話線)與所有的固定參考站通信；通過無線網絡(GSM、CDMA、GPRS)與移動用戶通信。由計算機實時控制整個系統的運行，控制中心的軟件GPS-NET既是數據處理軟件，也是系統管理軟件。

固定參考站是固定的GPS接收系統，即CORS系統（Continuous Operational Reference System），分布在整個網絡中，1個VRS網絡包括不少于3個甚至無數個固定參考站，站與站之間的距離可達70 km(傳統高精度GPS網絡，站間距離10～20 km)。固定參考站與控制中心之間有通信線相連，數據實時傳送到控制中心。

用戶部分包括用戶的接收機、智能手機等無線通信的調制解調器。用戶根據不同需求，放置在不同的載體上，如：汽車、飛機、農業機器、挖掘機等；用戶也可背在肩上。接收機通過無線網絡將自己初始位置發給控制中心，并接收控制中心的差分信號，生成厘米級的位置信息。

VRS網絡中，各固定參考站不直接向移動用戶發送任何改正信息，而將所有的原始數據通過數據通信線發至控制中心。同時，移動用戶在工作前，先通過GSM的短信息功能向控制中心發送一個概略坐標；控制中心收到后，根據用戶位置由計算機自動選擇最佳的一組固定基準站；再根據固定基準站發來的信息，整體地改正GPS的軌道誤差，電離層、對流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號發送給移動站。這個差分信號的效果相當于在移動站旁邊，生成一個虛擬的參考基站。

VRS技術的優勢：測量范圍大；用戶省略架設基準站，單用戶可直接操作；相對于傳統RTK技術，沒有距離誤差的概念，提高了測量精度；誤差均勻統一；可靠性提高［3］；信號穩定，兼容GPS各種型號，可野外單人作業等［4］。

2 VRS技術的具體應用

國內某在建天然氣管道江西段長度約570 km，全線總體地勢西北和東南低，中部高，大體呈階梯狀展布低山丘陵及平原。前期沿線做了206個D級GPS首級控制點，采用美國天寶GPS接收機，以靜態測量方式，同步觀測1h以上，并用天寶TBC軟件解算處理所得數據［5］。線路地形圖采用VRS技術測量。使用測量儀器為Trimble R8 Model 2，配套手簿為TSC2。

在正式開展線路測量前，向江西省測繪地理信息局申請注冊了該省VRS的用戶名和密碼、IP地址和端口，辦理了VRS技術測量專用的中國移動GPRS數據卡。

VRS技術測量中，手機、TSC2手簿和接收機的各項配置是一個復雜、系統、精細的過程。

2.1 TSC2手簿與手機藍牙配對連接

打開TSC2手簿和手機的藍牙，使藍牙可見，輸入一個自定義密碼后匹配。這樣手機就相當于調制解調器，供給TSC2手簿聯網；在TSC2手簿里點擊“連接”“管理現有連接”“新建連接”，輸入連接GPRS，選擇藍牙為調制解調器，在撥號方式欄輸入*99#或*99***#（中國移動專用），數據流量選擇最大115 200，其它默認設置。

2.2 TSC2手簿與天寶接收機藍牙配對連接

打開TSC2手簿里新建文件，在“配置”“控制器”“藍牙”選項里，選擇接收機型號，將手機和接收機通過藍牙完成連接。

2.3 撥號簡表的各項設置

新建撥號簡表，簡表類型為互聯網流動站，選擇上述建立的GPRS連接，藍牙調制解調器為手機，接入點為cmnet，數據傳輸協議的用戶名、密碼和VRS的IP地址及端口均為上述在測繪局申請的專用號碼，其它用默認設置，存儲撥號簡表。

2.4 VRS技術流動站的各選項設置

在“測量形式”里新建一個VRS技術測量，流動站選項測量形式設置為RTK，播發格式為RTCM（GNSS差分信號格式），點存儲為矢量，天線類型設置成與接收機匹配的類型，勾選俄羅斯格洛納斯衛星（GLONASS），接受設置并存儲；流動站電臺選為互聯網連接，撥號簡表選擇新建的VRS簡表，接受設置并存儲。

完成各項設置后，即可進入VRS技術測量程序，TSC2手簿通過手機接入互聯網，獲取測繪局接入點源列表，選擇RTKRTCM建立連接，收到電臺信號后即可進行測量或放樣工作。

為確保線路測量成果的正確性，每次施測前均對首級控制點進行檢核［6］。部分測量結果對比見表1。

表1 VRS技術測量成果與靜態測量成果較差 m

由表1可看出，VRS技術測量靜態控制點成果的平面精度優于2 cm，高程精度優于4 cm。依據GB/T 50539-2009《油氣輸送管道工程測量規范》的相關規定，既能滿足線路帶狀圖測量的限差要求，也能滿足隧道、穿跨越和場站地形圖測量等限差要求；從表1也可看出，VRS技術在控制測量方面，其部分成果精度不能滿足CH/T 2009-2010《全球定位系統實時動態測量（RTK）技術規范 》的相關技術要求，需要采取措施，提高測量精度，才能滿足規范要求［7］。所以VRS技術可用于油氣管道工程測量的碎部點采集和施工放樣［8］。

3 結論

VRS技術節約了人力、擴展了作業距離、提高了工作效率，較傳統RTK技術具有明顯的優勢。近年來，隨著國內各省區CORS系統的建立和籌建，在測繪及油氣管道工程領域的應用前景廣闊。同時，也應該認識到，現階段的VRS技術能勝任碎部點采集和施工放樣；但在控制測量方面，其精度還不能完全滿足管道測量的相關要求，特別是隧道、穿跨越及場站地形圖的測量，特殊情況下需做好降低誤差的準備工作。另外國內部分地區還未建立CORS系統，不能提供虛擬參考站差分信息；個別山區沒有通信運營商服務，流動站無法接收虛擬參考站的差分信息，限制了VRS技術的使用。

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