GPS-RTK技术在城市燃气管网信息系统的应用

近几年, 东莞市城市燃气发展迅速, 管道铺设长度达到近600多公里。现以建设广东省LNG一期利用工程东莞市区燃气GIS为例, 介绍一下管道测绘中应用GPS-RTK技术, 高效的为管道信息采集提供准确可靠的数据。

实践证明, 在管道信息采集时, 合理利用GPS-RTK技术, 可以在保证测绘精度的前提下, 显著缩短建设时间, 从而解决目前燃气公司从国土部门获得控制点困难的有效方法, 保证管道测量的及时性。现将我们在管道测绘中应用加拿大Smart 6100 IS GPS-RTK动态测量系统的作业情况, 简要介绍如下, 供大家参考。

1 GPS-RTK的工作原理

1.1 工作原理

实时动态差分RT K测量系统, 是GPS测量技术与数据通讯传输技术相结合而构成的系统。RTK差分技术目前有3种方法:坐标差分、伪距差分及载波相位差分。而采用载波相位为基本观测量的差分定位方法是目前GPS定位中精度最高的一种方法, 其相对定位精度可达10ppm~1ppm左右。RT K系统的最低配置可包括3部分: (1) 基准站接收机; (2) 流动站接收机, 包括支持RTK的软件系统; (3) 数据链, 包括基准站的发射电台及流动站的接收电台。RTK的作用距离很大程度上取决于数据链, 一般可达10km~40km左右, 当使用GSM通信网络作为数据链时, 其作用距离更长, 目前最大可达70km。作业时基准站接收机设在有已知坐标的参考点上, 连续不断接收GPS卫星信号, 并将测站坐标、观测值伪距和相位的原始测量值、卫星跟踪状态及接收机工作状态等通过发射电台发送出去, 流动站在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据, 通过最小二乘搜索法OTF (On The Fly) 求解载波相位整周模糊度, 再通过相对定位模型获取所在点相对基准站的坐标和精度指标。OTF算法是目前仪器厂家普遍采用的技术, 它可以使得RTK的初始化在几分钟甚至几秒钟内完成, 而无需让仪器进行以往的静态初始化。

采用O T F算法技术的双频载波相位RTK, 经过几秒至十几秒的OTF初始化即可达到厘米级的测量精度。RTK测定点位坐标的时间一般为2s~10s, 目前市面上仪器的测量标称精度一般可达平面1 c m+1ppm, 高程为2cm+1ppm。且具有如下测量功能:

(1) 测定点位的坐标, 并显示坐标精度;

(2) 实时进行点、线的放样, 结果及图形实时显示;

(3) 实时记录运动轨迹、导航;

(4) 求解坐标转换参数;

(5) 失锁后重新快速动态初始化。

2 基站建立和布设控制点介绍

一般作业方法是:首先要获得三个与市区地形图坐标系相同的控制点。然后选择地势高、无干扰的场地, 最好在市区中心的高楼上建立基准站, 最后使接收机至少收到5颗以上卫星, 数据链发射正常。我们选择在公司大楼建立基站, 最大的范围将无线电信号覆盖整个市区。首先将基站的卫星接收机和电台安装好, 然后连接移动站的卫星接收机和电台, 其次, 建立基站文件, 设置好基站和流动站的参数, 最后到附近采集控制点的数据, 再进行解算, 达到允许的精度后, 就可采集布设的控制点数据。下次作业时, 测量人员只要设置好基、流动站参数, 在快速初始化完成后在街道附近开阔, 无线电干扰小的地方就可以开始采集数据。

3 RTK测量的应用

3.1 RTK用于地形测量

东莞是一座制造业发达的现代化城市, 因此城市建设日新月异, 天然气用户不断增加, 管道不断在城市中四处延伸, 城市地形变化很大, 为保证GIS系统中底图的现势性, 需要定期更新地图。传统的利用经纬仪测图, 效率低, 成本高, 由于RTK测量随时都能显示当前位置的三维坐标, 因此可利用RTK来测量地形地物点, 并记录该点的序号和特征值, 内业采用数字化成图软件 (如南方CASS7.0成图软件) 。实际作业中对独立地物的测量序号应尽量连续, 如测量房屋, 应围绕房角至少测2个对角线或3个点, 测量道路要连续测完, 并现场勾画草图。外业结束后, 根据草图绘制地形图。对于卫星信号接收不到的个别地方, 则可以在接收卫星条件较好的地方临时定出2个控制点, 再由全站仪进行补测;对于小区房子高而又密集的地方, 可先测出几个控制点, 再用皮尺现场丈量勾绘, 或采用手持式激光漫反射测距仪测距交汇成图。

3.2 RTK用于控制点布设测量

对于城市中街道附近建筑物多的地段, 无线电干扰大, 卫星接收颗数少, 进行管道坐标和高程采集时, 可以在管道附近街道的十字路口布设控制点, 再利用控制点数据架设全站仪测量管道三维数据, 由于RTK测量范围在20km内点位平面标称精度为±3cm, 根据控制测量规范要求Ⅰ级导线点的点位误差为±5cm, 从理论上讲RTK测量完全可以满足Ⅰ级以下导线点的技术规范要求。如在某大道竣工管道RT K测量中, 对距离基准站1km~4km的一些四等GPS控制点采用一点法进行检核比较, 结果表明平面坐标分量最大差值为2.2cm, 高程最大差值为3.8cm, 完全符合Ⅰ级导线点的规范精度要求。自2005年开始布设控制点开始, 到目前为止, 共布设2000多个控制点, 节约购买控制点费用一百多万元, 提高了GIS系统外业信息采集效率和降低了建设成本。

3.3 RTK用于管道测量

在城市新建道路的管道附近进行测量时, 可以在街道附近的高楼上建立GPS基站, 将基站信号覆盖新建街道上, 把移动站在管道上采集数据, 直接保存在手簿内, 再通过数据传输软件导出数据。如在市区东莞大道和环城路共30多公里的中压管道测量, 共花费40天完成全部测量任务。如采用其它方法, 测量时间肯定多出一倍的天数。东莞新奥燃气公司利用RTK完成GIS系统中一万多个管点和一千多个阀门三维坐标数据测量, 高效的完成系统建设。

4 RTK测量的误差源及局限性

4.1 GPS误差源

GPS测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三类:

(1) 与卫星有关的误差:主要包括卫星星历误差、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等。

(2) 信号传播误差:主要为电离层影响、对流层影响、多路径效应的影响等。

(3) 观测设备和接收设备即仪器误差的影响也很大。通常可通过采用适当的方法减弱或消除上述误差的影响。

4.2 RT K的误差源

(1) 基准站点位精度的影响; (2) 模糊度解算误差; (3) 动态基线解算误差; (4) 坐标系统转换误差; (5) 天线对中等人为产生的误差。其中 (2) , (3) 项的解算程序已被编入主机, 其误差已得到了控制, 坐标系统转换误差在于如何解算坐标转换参数。因此, 外业过程中要特别注意气泡是否居中, 从而减少偶然误差, 消除人为误差, 以提高精度。