【论文精选】RTK测量系统在城镇燃气管道的应用
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GAS-HEAT1978
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作 者： 毕逢东
第一作者单位：中国石油天然气股份有限公司天然气销售分公司
摘自《煤气与热力》2022年8月刊
参考文献示例
毕逢东 . RTK 测量系统在城镇燃气管道的应用 ［J］. 煤气与热力， 2022，42（8） ：B39-B42.
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1 概述
RTK （ Real Time Kinematic ，实时动态）技术 ［ 1-3 ］ 是一种测绘技术，集成了卫星定位系统和数据链系统，能够为用户提供高精度定位服务。目前， RTK 技术已在油气管网可行性研究、设计、施工、投产、运营全生命周期的各个阶段得到初步应用，产生了一定的经济和社会效益。本文以 RTK 技术原理为出发点，探索 RTK 技术与城镇燃气管网数字化建设的结合点，并给出了 RTK 测量技术在管道完整性管理中的应用案例。
2 RTK 技术原理 ［ 4-10 ］
① RTK 技术优点
卫星定位技术依据定位方式不同分为伪距法和载波相位观测法。伪距法定位是指根据卫星接收机在某一时刻获得的至少 4 颗卫星的伪距及已知的卫星坐标等参数，采用空间距离交汇的方法，求得接收机天线相位中心在既定坐标系中的三维坐标。这里的空间距离指的是卫星到接收机天线相位中心的距离，其值等于测距码信号到达接收机的传播时间乘光速。载波相位观测法定位，首先需要建立载波相位观测方程，然后利用泰勒级数展开使其线性化，最后通过多次迭代解线性方程组的方式计算出观测点的精确坐标。
RTK 技术具有如下优点： a. 定位精度高， RTK 测量系统的平面和高程定位精度可达到 cm 级，而普通单点定位精度在 10 m 左右 ［ 11-15 ］ 。 b. 作业条件宽泛，无须满足两点间通视，只需满足电磁波通视。 c. 无误差累积效应。 d. 作业效率高。 RTK 测量系统可一次完成方圆 10 km 左右作业区的测绘。 e. 操作简便，数据处理能力强。流动站在移动过程中即可完成测绘工作，数据交互能力强，能方便快捷地与计算机和其他测量仪器通信。
② RTK 技术原理
在城镇燃气管网测绘的作业区域内，已经建设了若干基准站。已知基准站在某一坐标系下（如国家 CGCS2000 坐标系）的准确坐标（一般 mm 级）。基准站对 GNSS 卫星（包括北斗、 GPS 、 GLONASS 和 Calileo 卫星）进行持续观测，接收 GNSS 卫星播发的观测数据（伪距观测值、载波相位观测值、广播星历数据）。然后基准站通过数据链（如 4G 网络）将伪距观测值、载波相位观测值以及基准站准确坐标传输到数据处理中心。
RTK 作业时，流动站通过 GNSS 定位接收机接收 GNSS 卫星播发的观测数据，包括伪距观测值、载波相位观测值、广播星历数据。流动站首先利用广播星历数据应用文献［ 16 ］ 33-35 的方法，计算出所有观测到的卫星的坐标，再利用伪距观测值及计算得到的卫星坐标，根据文献［ 16 ］ 110-112 的方法，计算得到流动站普通单点定位坐标，作为初始坐标，定位精度 5~10 m 。
流动站得到初始坐标后，通过无线网络（如 4G 网络）将初始坐标传输到数据处理中心。数据处理中心根据流动站初始坐标，选择距离流动站较近（ 15 km 以内）的基准站作为本次作业的基准站，将此基准站称为选定基准站。数据处理中心通过数据链（如 4G 网络），按照流动站固有的用户名及 ID 号，将差分数据（选定基准站接收的伪距观测值、载波相位观测值以及选定基准站的准确坐标）立即反馈给流动站。
数据处理中心从流动站发送初始坐标开始，以一定频率发送差分数据，直到流动站作业结束，流动站退出服务，数据处理中心停止发送差分数据。
流动站根据差分数据和自身同步接收的 GNSS 卫星播发的观测数据，采用文献［ 16 ］ 116-118 方法，解算得到流动站位置（ cm 级定位结果）。
流动站可处于静止状态，也可处于运动状态。可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成动态定位 ［ 17 ］ 。
3 RTK 测量系统的应用
①在城镇燃气管网数字化中的应用
城镇燃气管网规模庞大、拓扑结构复杂多变，新旧 燃气管道 并存，各级管道在地上、地下纵横交织，测绘普查工作困难，严重阻碍了燃气管网数字化进程。在全国中等及以上城市的管网中，老旧燃气管道依旧占有较大比重，其日常监管工作历来是燃气业务的痛点之一。全国城镇燃气管网年新增里程随我国城市化进程加快逐年迅速递增，新增城镇燃气管网在规划、建设、监督全流程领域实现了数字化管理，为老旧城镇燃气管网的监管提供了新的思路和方法。
RTK 测量系统应用场景如下 ［ 2 ， 18-21 ］ 。
a. 在城镇燃气管网建设时期，利用 RTK 测量系统采集管道及其沿线基础设施坐标，录入数据库，作为将来运维的依据；在运营维护阶段，借助于 GIS 系统强大的地理空间分析能力，实现燃气管网的网格化、数字化管理，做到精准运维。
b. 对老旧管网进行普查测绘。 RTK 测量系统结合管线探测仪等设备，绘制老旧管道分布图，并将此信息录入 GIS 系统，实现老旧管道管理的数字化。
c. 利用 RTK 测量系统精确定位的特点指导管道施工建设。在管道施工中测量加密控制点的坐标；在进行放样作业时， RTK 电子手簿中软件的放样功能，可以用来指导点、直线和曲线的放样作业 ［ 1 ］ ；可以测量地形碎部点坐标，绘制精确地形地貌图；可以利用 RTK 测量系统采集数据，进行土方工程量的计算 ［ 7 ］ 。
②在管道完整性管理中的应用
管道及其沿线基础设施数据采集是管道完整性管理中的重要方面，数据采集伴随管道完整性管理的整个过程：前期规划、中期建设、后期运维。 RTK 测量系统 ［ 21-22 ］ 在管道完整性管理中的应用包括以下 3 方面。
a. 地质灾害监测
利用 RTK 测量系统定位精度高的特点将其用于对沉降变形、地质位移等灾害的监测，以达到提前预警、减少损失的目的。
b. 管道防腐层质量评价
首先利用 RTK 测量系统配合 DM 管道 防腐 层检测 仪 ［ 23 ］ 或 PCM+ 管道防腐层检测仪 ［ 24 ］ 进行非开挖检测，以确定防腐层破损点的位置，然后根据电流衰减数据和 DM 防腐层检测评价系统 ［ 25 ］ 对防腐层质量进行评价，最后将现场数据通过 Excel 生成 KML 格式的文件叠加在卫星影像图上，利用 GIS 信息管理系统对数据进行统一管理。通过影像图可以复现管道走向、破损点分布及管道附属设施分布，进行数据类别统计，筛选显示破损点数量。后期需要开挖时，只需要将开挖点坐标数据输入 RTK 测量系统内进行坐标放样作业，根据提示就能找到开挖点的准确位置。
c. 定位管道内检测设备位置
在进行管道内检测作业时，利用 RTK 测量系统结合管道电子标识器 ［ 25 ］ ，可以实时准确定位管道内检测设备的精确位置。
③基于 RTK-SLAM 技术采集城镇燃气架空管道数据
在进行城镇燃气管道测量作业时， RTK 数据链易受高大建筑物和高频信号源干扰，导致信号衰减幅度大，影响作业精度和半径。在高楼密集区， GPS 信号容易被遮挡。电离层的电磁环境可能导致 GPS 接收机初始化时间延长。
RTK-SLAM 技术为解决上述问题提供了新思路。同步定位与地图构建（ Simultaneous Localization and Mapping ， SLAM ）技术 ［ 10 ］ 是载体自主导航的关键技术之一，能够在复杂环境下实现高精度定位与建图。 SLAM 系统 ［ 9-10 ］ 采用相对定位策略，长时间作业会产生误差累积，通过将 RTK 测量系统测量得到的坐标融合到 SLAM 系统的办法能够解决该问题。
架空管道数字化测量作业内容包括：管道坐标测绘与成图；管道坐标数据点、线表的编辑及系统录入；管道周围风险识别检查。 RTK-SLAM 技术采集得到的激光点云成像数据结果见图 1 ，可以看出，利用 RTK-SLAM 技术，可以获得高精度架空管道的位置信息。 通过软件点选任意点，可显示该点 cm 级高精度坐标。
图 1 RTK-SLAM 技术采集得到的激光点云成像数据结果
激光点云成像数据可全面显示被测管道及周围环境的实际信息，任意一点可测量，并具有真实坐标，可针对燃气管道三通、弯头等特征点利用特征集工具进行编辑、分类，为管道数字化提供 cm 级测绘成果。 RTK-SLAM 技术激光点云成像数据特征提取见图 2 （图中绿线表示提取的管道）。
图 2 RTK-SLAM 技术激光点云成像数据特征提取
④ RTK 测量系统不足和解决方法
RTK 测量系统的主要误差分为系统误差和偶然误差。系统误差来源包括：电离层折射、数据链随机误差、 GPS 接收机天线相位中心位置随机波动。
受地形、地貌的影响，地面基准站或移动站可能接收不到卫星信号。在山区，由于相对高程差较大，卫星信号可能长时间处于被屏蔽状态，导致每天可用作业时间减少。卫星定位系统信号质量受大气电离层电磁环境影响较大。适当选择作业时间可在一定程度上减少电离层对 RTK 测量系统的影响 ［ 1 ］ 。
数据链受电磁环境干扰和地形影响较大，作业半径超过一定距离，会产生误差超限问题。通过在测区中央最高点布设基准站，以及在环境不良地段增设控制点的办法可以有效延长测量半径。
从卫星定位系统获取的是接收机天线相位中心坐标。理论上，接收机天线相位中心与其几何中心重合。工程实践中天线的相位中心受输入信号频率、方位角、高度角的影响而变化，导致相位中心偏离其几何中心。因此为了保证定位精度，必须进行天线校正。
影响 RTK 测量系统定位精度的因素是多方面的，综合考虑各部分因素，按规程操作，适时多次测量。
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（本文责任编辑：刘灵芝）
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