ＧＰＳ卫星定位技术在电网地下管线测量中的应用

袁清芳　于希娟　师恩洁

[摘要]文章主要介绍了GPS卫星定位技术在北京电网地下管线测量中的应用，为进一步了解该技术在地下管线测量的中应用效果和测量时存在的问题，选择了四个公司的GPS设备分别对5个由测绘院提供的已知点进行测量比对试验，并总结出利用GPS卫星定位技术测量电网地下管线测量过程中需要考虑的问题以及解决问题的相关建议。

[关键词]电网地下管线GPS测量

O引言

随着城市经济水平的迅速发展、规模的扩大以及城市现代化建设水平的不断提高，城市地下管网作为城市的生命线也变得越来越复杂，种类也越来越多。正是由于城市地下管网具有上述特点，使得地下管网的资料不全、埋深复杂，加之管网埋深于地下，存在一定的隐蔽性，从而给管网设计、施工和维护造成了很多困难。北京市电力公司为加强地下管线的规划管理，建立并完善了地下管线资料，由于过去使用的是手工收集资料，绘制管线图的方法不仅工作难度大，同时还会受到城市规划施工过程的影响，很难满足规划和管理的实时要求。因此必须借助计算机技术，建立地下管网GIS，实现从管网数据采集、建立数据库到完成系统功能、辅助地下管网规划管理全过程的操作。为了深化GIS系统应用，实现输配电线路设备的精确定位，需采用先进的测绘技术对全市输配电线路设备进行测量。

1 GPs测量原理简介

1.1 GPS系统的原理

GPS定位属于无线电定位范畴，24颗卫星的任何时刻的坐标都可以获得，即任何一颗卫星的任何时刻都可以视为已知控制点，对用户而言，一般只需要关心GPS接收机的使用即可。用户只需通过地面接收设备接收卫星播发的信号，就能测定卫星信号的传播时间延迟或相位延迟，计算接收机到GPS卫星间的距离(称为伪距)，确定接受面位置及时间改正数。

1.2 GPS系统的测量方法与精度

GPS测量，按其定位时间通常分为静态GPS测量和动态GPS测量。静态GPS测量定位一个点，通常需要观测1h左右，其测量精度可达到毫米级，而动态GPS测量定位一个点则只需1s甚至更短，其测量定位精度达到厘米级。GPS测量按其定位方式又可分为单机绝对定位和多机相对定位，单机绝对定位精度约为10m级，多机相对定位精度可达毫米级。静态GPS测量目前主要用于高精度的平面控制测量。

目前经常见到且大量使用的RTK测量设备即多机动态定位系统设备，其定位时间为：初始化几分钟后每1s定位一次，定位精度为厘米级。RTK系统由一台基站GPS接收机和若干台流动站GPS接收机加上数据链(通常是数字电台)组成。基站GPS接收机通常安置在一个已有三维坐标的控制点上，基站GPS接收机计算观测值的改正量通过数据链实时发送给流动站GPS接收机，流动站GPS接收机也进行观测值改正，从而得到较高精度的三维坐标。随着网络技术和无线数字通讯技术的发展，近年来出现了基于永久地面基站网络的所谓网络RTK技术和设备，其原理与上述RTK相似，只是基站不同，网络RTK覆盖半径大幅度扩大(整个北京市行政区域)，提高了工作效率。RTK测量设备主要用于控制点加密测量和开阔地带的地形测量。RTK工作原理示意图如图1所示。

2北京电网地下管线基础测试环境

测试采用北京市信息办已经建成的北京市全球卫星定位综合应用服务系统，该系统提供的GPS差分服务覆盖整个北京地区，系统由一个中心站，16个差分连续运行观测站，14个共享气象GPS观测站组成的连续观测网。

北京市全球卫星定位综合应用服务系统基准站分布图见图2。

系统主要包括：连续运行的GNSS基准站网、管理中心、监测中心、服务中心和用户子系统等五部分组成。基准站系统负责基准站数据的提取、远程存储、实时差分数据的转发。服务系统主要功能发布后处理数据和实时差分信号，通过无线公网为移动用户提供RTK／RTD服务，根据专网用户的要求，向专网用户发布各类GPS原始数据。WEB服务器接受Internet用户的请求，以各种不同的采样频率和时间间隔，提供观测数据和导航数据，并生成RINEX通用数据格式文件，通过浏览器方式下载到用户计算机上。流动站用户通过无线公网GSM或CDMA拨号到中心的专用调制解调器，以提取网络RTKI作站上的差分数据，用户可以选择接收网内任何一个基准站的差分信号。VRSI作站则为流动用户提供虚拟的参考站差分信号。

北京市全球卫星定位综合应用服务系统网络结构见图3。

3北京电网地下管线测量的基本要求

测量结果应满足以下方面的要求：

(1)市政管委在城市管线规划管理方面的要求；

(2)北京市电力公司在电网布局的规划、设计、应急抢险等方面的要求；

(3)北京市电力公司下属运行管理、维护管理、电力设备监控等方面的要求；

(4)为北京市电力资源管理系统数据库提供基础空间信息和属性信息方面的要求。

另一方面，由于历史原因，北京电网地下管线存在两种状态：

(1)已经施工完毕但却没有完整可靠的竣工资料的电力直埋管线、管道、管沟、电力隧道以及架空管线和其他相关设施，这些管线都需要进行所谓的整测(即需要调查、探测、测绘其空间位置及属性)；

(2)正在施工和将要施工的电力直埋管线、管道、管沟、电力隧道以及架空管线和其他相关设施，这些电力设备设施需要进行所谓的竣工测绘(跟踪施工进程，覆土前测绘其空间位置和调查属性)。这两种测量状态的差别主要是在管线设施的可见性上，前者大部分不可见需要通过调查探测获得其位置、埋深及属性数据，而后者则可见，可直接测量其空间位置并获得其属性。因而其实际能够获得的最终测量结果精度是有差别的。

对于探测和测量的精度要求应能满足电力应用的具体需要：

(1)隐蔽管线特征点的探查精度为：平面位置中误差不大于±0.1h，埋深中误差不大于±0.15h。(h为特征点中心的埋设深度)。

(2)隧道特征点的测量精度为：平面位置中误差不大于±5cm(相对于邻近控制点)，高程测量中误差不大于±3cm(相对于邻近控制点)。

(3)管线特征点的测量精度为：平面位置中误差不大于±5cm(相对于邻近控制点)，高程测量中误差不大于±3cm(相对于邻近控制点)。

4GPS地下管线测量对比试验实例

为了进一步了解GPS技术在地下管线测量的效果和存在的问题，特选择四家GPS测量设备供应商对北京市丰台地区的5个由测绘院提供的已知点进行测量比对，经转换后得出各公司测试数据的东北坐标表示方式，并与3个已知点坐标进行对比，如表1所示。

经过相关技术人员使用专业的误差计算方法得出四家厂商测量数据同标准值的误差对比，图4～图6分别表

示为四家公司测量数据X坐标、Y坐标和高程误差情况。

根据四家公司的测试所得出的经纬度和高程的结果结合其使用的设备可得出如下结论：

(1)四家公司在对已知的五个点在经纬度方面的测量结果基本接近。

(2)四家公司使用的测量设备均为RTK设备，都具有接受GPS和GLONASS两种不同类型的卫星信号的能力，其中公司四的设备要接受GLONASS卫星信号需要另行开通这一功能。公司一、公司三和公司四均使用RTK一体机式测量设备，在拥有由北京测绘院提供的账号登陆的前提下，通过VRS差分技术使用起来简单、方便。公司三更是在公司本部(亦庄)建立有自己的VRS基准站，在半径20km范围内可以接受到自己提供的卫星信号。而公司二测量使用的RTK设备为分体机式测量设备，在没有得到北京测绘院提供的账号登陆的条件下，可自行于测量范围内的制高点建设基准站用来进行高精度的测量，这使得其受环境影响大的缺点较为突出。

(3)四家公司使用手簿均采用WinCE系统，设备全部可以通过蓝牙与主机进行数据传输。其中，公司三使用的手簿设计更为轻巧，其液晶屏幕技术含量较高，在强光照射下屏幕显示相对其他厂商的设备更为清晰。公司四的手簿除能与本公司产品链接外，还能通过蓝牙通讯技术与第三方设备进行联合作业和数据共享。

(4)全站仪方面，公司二、公司三和公司四的全站仪都能够实现无棱镜测量，对于拐点、角落等难以放置棱镜位置的测量帮助极大。其中由以公司二的全站仪无棱镜测距更远，可达到1200m距离。公司三和公司四的全站仪使用激光为一级安全激光，即对人眼无伤害的激光，在作业中能够使事故发生的概率大为降低。

5北京电网地下管线测量过程中需要考虑的问题及建议

5.1测量过程中需要考虑的问题

(1)测量前应先收集原有资料(如管线规格、型号、起终点等)，以便现场测量时进行实地查询，提高工作效率。

(2)测量前需要预先做好外业测量调查人员佩戴的工作标识(作业证等)及人员的培训，否则会受到警察、老百姓、本区域不知情工作人员的干扰，影响工作进度。

(3)变电站、配电室、隧道、住宅小区等场所的进出需要提前与相关主管部门进行协调配合(如隧道井遥控锁开启)。

(4)马路作业和抽水作业时应设置作业安全标志设备及履行许可手续。

(5)测量工作开展前应熟悉电力测量技术相关规范文件，做好培训工作。

(6)测量数据详细程度应与工作量匹配，同时数据信息的提供方式与格式应有安全控制，并建立相应的安全机制。

(7)测量时应有必要的安全保障设备配置，以确保施工作业人员的人身安全。

5.2建议

首先，相关电力管理职能部门必须制定一个对电力资料档案完善管理的制度，组成具有权威的监督部门落实，这是做好电网地下管线测量工作的制度保障。

其次，在组织实施上，要确定电力测量由谁完成。有三种选择：完全由电力公司自己完成；完全委托第三方完成；部分内容由电力公司完成(资料审核及录入)，部分内容委托第三方完成(外业调查、探测、测绘数据整理)。三种选择各有利弊，第一种选择可解决一部分内部职工安置，数据及信息安全比较容易保障，比较节省资金，各部门协调容易，但管理比较麻烦，同时要组建测量队伍和购置设备，并需要对人员进行培训，短时间内较难实现；第二种选择在管理上比较省事，但需要比较多的资金支出；第三种选择可能是现实的选择，把非电力本行业的工作交给第三方专业部门做，既高效率又有质量保障，而把主要精力放在设备运行管理和信息更新及应用上。

第三，技术上，要鼓励采用先进技术和设备进行测量，保证高效率和高精度。