不同GPS定位方式在管道外檢測中的應用研究

王 超,黃 銳,尹 航,李正敏

(1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司,河北 廊坊 065000;2.中油國際管道有限公司,北京 100000)

隨著國內管道完整性管理工作的開展,管道外檢測成為管道完整性工作的重要組成部分[1]。管道外檢測一般包括防腐層完整性、陰極保護有效性、雜散電流干擾以及直接開挖等檢測項目[2-3],檢測過程中涉及管道路由、管道埋深、防腐層破損點、測試樁位置等管道特征點的信息采集。管道完整性根據需求將采集的GPS位置信息與位置屬性信息進行整合,從而對管道進行綜合、一體化的管理[4-6]。以往外檢測過程中對管道特征點的位置信息的采集基本都是采用手持GPS來完成[7]。各家檢測單位提供的檢測成果數據質量參差不齊,精度較低。近年來空間導航與定位技術快速發展,可提供更高精度GPS位置信息的RTK和CORS技術隨之出現。這些測量技術在道路工程、鐵路工程、地質工程、水利工程等領域得到了廣泛的應用,而在管道行業測量和定位中的應用較少[8-10]。目前城市地下管線參照《城市地下管線探測技術規程》,管道行業對管線位置測量提出了很高的要求,為全面準確了解管道狀況,并為長輸管道數字化建設提供更精確的數據,采用現代化測繪技術將更好地服務油氣長輸管道的規劃、建設和運營。

1 手持GPS、單基站RTK、CORS技術簡介

GPS接收機按照用途可分為導航型接收機、測地型接收機、授時型接收機。依據JJF 1118—2004《全球定位系統(GPS)接收機(測地型和導航型)校準規范》,手持GPS接收機歸類于導航型GPS接收機。一般手持GPS只接收GPS衛星的L1載波信號,采用偽距(包含誤差的衛星到接收機的距離)定位原理且未對偽距進行差分處理,手持GPS是一種單點絕對定位方式[11]。由于手持GPS具備體積小巧、攜帶方便、操作簡單等優點,該定位方式在管道外檢測作業中得到了廣泛應用。利用手持GPS定位防腐層破損點、管道路由、管道上方附屬設施和地面標識物過程中,結合卷尺測量附近標志樁、警示牌、光纜樁才能實現相對精確定位,但地面上的標識物很容易受到地形地貌變化的影響而改變。

相較于手持GPS將偽距作為量測信號,如果以載波作為量測信號,再結合位置差分、偽距差分和載波相位差分等差分定位技術,可以大幅度提高系統定位精度[12]。RTK技術屬于載波相位差分技術,最早由美國天寶公司開發[13]。該定位技術包含兩臺GPS,其中一臺GPS接收機設置為基站,另一臺GPS設置為移動站,并且在基站和移動站之間建立無線電數據鏈。基站借助無線電數據鏈實時處理兩個GPS接收機載波相位觀測值,并將觀測值及基站坐標信息一起發給移動站。移動站不僅通過數據鏈接收來自基站的數據,同時還采集自身測點的GPS觀測數據,并在系統內組成差分觀測值進行實時處理,這種測量方式可以在不到1 s內給出相對于基站的厘米級定位[14]。通過理論和實踐表明,雖然單基站RTK技術具備作業效率高、定位精度高以及全天候作業等優點,但也存在一些不足[15]。單基站RTK作業時需要架設基準站,基準站通過內置電臺、外掛電臺兩種方式進行數據鏈連接,內置電臺一般空曠地區覆蓋范圍為2～3 km,外掛電臺一般空曠地區覆蓋范圍能達到20 km左右。實際測量過程中一般不建議覆蓋范圍超過10 km,距離過大則差分精度隨站間距離變大而下降[16]。

為了克服單基站RTK的各種局限性,CORS技術應運而生。CORS是一種基于多參考站的RTK技術,是由一個或若干個固定的、連續運行的衛星參考站,利用計算機、通信和互聯網技術組成網絡,通過網絡實時的向用戶提供改正數據和狀態信息的綜合衛星服務系統。CORS可以提供實時定位和導航信息、高精度連續的時頻信號以及定時、授時的信息。我國CORS從開始建設以來,通過國際合作、國家重大基礎設施專項工程等建設,全國各省市自治區根據自身需求,逐步建成了省級CORS系統[17]。與單基站RTK技術相比,CORS仍然采用差分定位技術,但數據處理更為復雜和完善,通訊的方式也有區別。CORS測量時無需架設基準站,只需一臺移動站并連接網絡便可以開展現場測量。CORS測量節約了野外作業過程中人員值守和架設基準站的時間,降低了作業成本,提高了工作效率,另外CORS作業范圍能達到50 km以上。

2 現場準備

本項目選取某周圍無建筑物、無通訊線路、無林木遮蔽的輸氣管段,利用PCM+探測管道并在管道正上方每隔約50 m選取一個測量點。通過分別使用手持GPS、架設RTK基站、移動站以及直接使用移動站連接CORS系統三種方式對測量點進行定位測量,最后使用全站儀和鋼尺對部分數據點進行復測以檢驗精度,從而對比三種定位方式在管道外檢測中的定位誤差。本次項目手持GPS型號為佳明Etrex 20；單基站RTK和CORS使用抗干擾性能較好的雙頻多通道中海達V60 GNSS RTK,該儀器標稱精度為平面±(10+1×10-6D)mm。鑒于GPS測量的高程為大地高程,平常測量使用的是正常高程,兩者之間相差一個高程異常值,因此本項目只進行了大地坐標的采集,測量成果提供所選管段的WGS84坐標。

3 數據采集及結果分析

為了獲得較高的測量精度,手持GPS測量時要求衛星數量大于4顆并且鎖定,然后使用手持GPS位置平均功能,對每個測點進行4～5 min采集,手持GPS將在同一地點記錄多個讀數,并求取平均值以獲取更高的精度。單基站RTK和CORS測量過程中,首先應保證移動站圓水準氣泡居中,其次必須在接收機已得到固定解且接收機的位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)值小于等于6時進行數據采集,如果等待3秒內仍不能獲得固定解,應斷開數據鏈,重啟接收機再次進行初始化操作。三種測試方法獲得的部分測試數據如表1所示。

表1 不同測量方式五個測點GPS大地坐標數據表

通過GPS測量得到的WGS84大地坐標是一種球面坐標,實際施工和測量過程中用到的地圖或圖紙是平面的,因此必須得將球面上的坐標投影到平面上。我國一般高斯-克呂格投影法,投影后建立高斯平面坐標系是以中央子午線與赤道的交點作為坐標原點,以中央子午線的投影為縱坐標軸X,規定X軸向北為正,以赤道的投影為橫坐標軸Y,Y軸向東為正。投影所得的坐標系會產生一定變形,為了控制投影后的長度變形,通常是按中央子午線6度和3度分帶投影。按照,以3°或6°帶的形式投影投影。將本次測量的5組數據按照高斯-克呂格3°帶投影,所得數據如表2所示。

表2 五個測點投影后的數據

參照JJF 1118對導航型GPS誤差的計算公式,對三種方式的定位誤差進行計算。

式中δ—定位誤差,m；

Xi—測試數據X軸方向的分量；

Yi—測試數據Y軸方向的分量；

X0—標準點X軸方向的分量；

Y0—標準點X軸方向的分量。

CORS具有很高的測量精度,測量精度能達到厘米級,誤差能夠控制在標準規范的范圍內。因此可以將CORS測量值作為標準點。利用公式(1)來比較手持GPS和單基站RTK的測量值的誤差,經計算誤差如表3所示。

表3 手持GPS和單基站RTK測量同一測點的誤差

由表1可知手持GPS測量的大地坐標受設備精度限制,只能顯示“秒”后兩位,并且手持GPS測量的平均值不穩定。與手持GPS相比,單基站RTK和CORS可以提供較高精度的大地坐標,坐標“秒”后兩位數值變化范圍較窄。影響手持GPS大地坐標測量平均值不穩定的因素較多,通常包括三部分誤差[18]。首先是衛星鐘差、電離層延遲誤差、對流層傳播誤差以及衛星星歷誤差等,這部分誤差是GPS定位時都存在的公共誤差,可以使用差分等技術予以消除。普通的手持GPS(比如佳明系列)接收機基本都是單頻接收機,雖然接收機內置了差分全球定位系統(Differential Global Positioning System,DGPS)、廣域增強系統(Wide Area Augmentation System,WAAS),但我國大陸地區目前并無基站提供WAAS系統廣播校準數據,如果打開此功能GPS接收機可能會接收到東太平洋的校準數據,由于距離基站太遠,因此在中國大陸地區該技術并不適用。相對高端的手持GPS(比如天寶Trimble 7x和集思寶MG868S)能同時接收L1、L2兩種載波信號,可以消除電離層對電磁波的信號延遲的影響,而且接收機也內置了DGPS、星基增強系統(Satellite Based Augmentation System,SBAS)等技術,一定程度上實現相對高精度的定位,但是相應的接收機價格昂貴,另外增強技術也存在很大的局限性,例如SBAS在沿海地區效果較好,但內陸地區有時不能使用[18]。第二部分誤差是電磁波傳播從衛星發射到用戶接受的過程中造成的誤差,這部分誤差一般不能夠通過用戶測量或者使用差分方法來完全消除；第三部分誤差是用戶接收機設備的質量以及受觀測環境影響造成的誤差,比如GPS接收機的內部噪聲、通道延遲、周圍環境的電磁波干擾、多路徑效應等。表3的數據顯示手持GPS、單基站RTK與CORS之間均存在一定的誤差,但手持GPS的誤差相對更大。這主要因為測量的數據經過投影后一般情況下緯度1秒對應地面距離大約30.8 m,經度1秒對應地面距離大約為30.8 m×該地區緯度的余弦值,因此手持GPS大地坐標測量平均值的不穩定,易造成地面較真值差距1～3 m。單基站RTK理論上和CORS應該具有相同的精度,但本次測量出現了較大的誤差,主要原因是：本次單基站RTK測量時未進行點校正,影響了單基站RTK定位的準確性,造成單基站RTK和CORS對測量值出現0.6米左右的整體偏移。通過本次實踐可知當單基站RTK在采用任意點架站時,需要移動站增加控制點聯測工作,因為任意點架站后,基準站獲取的WGS84坐標是啟動后實際獲得的坐標,發送的數據鏈不是控制網求解轉換參數所用的WGS84坐標的改正數ΔX、ΔY、ΔZ,而是一個新的改正數ΔX1、ΔY1、ΔZ1,此時就需要移動站到已知點進行聯測,聯測后移動站在已知點獲得實測WGS84坐標與已知WGS84坐標坐標的改正數ΔX2、ΔY2、ΔZ2,移動站將聯測已知點獲得的第二個改正數作為固定值對基準站發來的數據鏈進行修正從而獲得與控制網匹配的WGS84坐標[21]。

外檢測現場作業過程中,CIPS和PCM測試會記錄兩個測量點之間的相對距離,以為后期評價測量段陰極保護電位和防腐層整體狀況提供數據支撐,因此,本次項目檢測時采用三種GPS測量方式對待測點相對距離進行了記錄,并使用卷尺和全站儀對待測點之間的距離進行了檢驗,部分數據如表4所示。

表4 不同測量方式下五個測點相對距離數據表

由于GPS距離測量是通過兩端點的坐標計算而獲得,故在此將距離測量稱為相對定位。由表4手持GPS所記錄的相對距離數據較粗略,由于設備的精度問題只能精確到米；全站儀測量精度很高所測試的距離可以精確到mm；通過全站儀對5個點之間的距離進行復測,可知CORS所測兩點間的距離更接近全站儀測量的數據因此精度最高,手持GPS所測兩點的距離的誤差最大。單基站RTK理論和CORS出現了較大的誤差原因也是未進行點校正造成的。

測量結束后第二天對三種方式測量的數據進行了放樣。手持GPS測量的大地坐標和前一天的距離差距在2 m左右,且相對測量點的左右無明顯規律；未進行點校正單基站RTK和CORS的出現整體偏移0.6 m左右；而CORS所測量的數據基本未發生偏移。

綜上所述,由于多方面因素影響,利用手持GPS的定位精度,開展亞米級定位精度的外檢測作業比較難以實現。而單基站RTK和CORS均使用了差分技術,使用單基站RTK和CORS測量具有更高的可靠性。根據長輸和城市地下管線測量實踐經驗和規范的要求,使用手持GPS已經無法滿足對管道進行定位測量的需求,有必要采用高精度的CORS技術來對管道進行定位和測量。

4 結論

根據以往管道外檢測工作經驗,手持GPS的定位精度很難復現,為了找出原因,本文對現有的定位技術進行了簡述,并參照JJF 1118的方法對手持GPS、RTK和全站儀等設備的定位精度開展現場試驗。結果表明：受設備自身、信號、天氣等方面的影響,使用手持GPS開展亞米級外檢測定位作業難以實現；使用單基站RTK在無已知校準點的情況下定位精度能夠保證但準確度會存在偏差；使用CORS技術可以在大范圍內更加方便、快捷、準確的對管道地理信息進行定位測量。

5 建議

現階段,管道完整性所涉及的管道地理位置信息多數通過手持GPS取得,由于測量精度無法保證,給后續的數據對比、對齊以及復檢帶來了繁重的工作。自2008年7月1日起,我國已經全面啟用CSCG 2000國家大地坐標,在涉及管道地理信息的檢測作業中,建議檢測單位使用CORS技術對管道路由進行定位,并提供CSCG 2000坐標成果,從而保障測量成果的精確性和可靠性。