网络GPS RTK技术在山区输电线路测量中的应用

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  摘要:本文简介GPS RTK (全球卫星定位系统实时载波相位差分) 系统工作原理,结合百色市富宁至洞巴110 kV输电线路采用GPS RTK功能测量实践,介绍GPS利用网络通信在山区输电线路工程测量中的应用,并分析论证了GPS RTK 技术在送变电施工测量工作中的通视要求低、作业距离长、误差积累小等的优势。
  关键词:GPS—RTK;电力线路;山区测量;手机卡
  Abstract: in this article the GPS RTK (real-time GPS carrier phase difference) system working principle, the combination of baise funing to hole function of 110 kV transmission line using GPS RTK measurement practice, using GPS network communication engineering survey, the application of transmission line in mountain area of electricity transmission &transformation facilities construction and analysis of the GPS RTK technology in measurement of low visibility requirements, long operating distance, and the advantage of small error accumulation.
  Keywords: GPS - RTK; Power line; Mountainous area measurement: mobile phone card
  中圖分类号:TM727文献标识码:文章编号:
  引 言
  全球定位系统GPS(Global Positioning System)以其自动化程度高、观测速度快、定位精度高、经济效益显著等诸多优点而被广泛应用,它给测绘界带来很大的变化。全球定位系统不仅可以取代大部分地面测量的作业方法,而显还具有很多传统方法不能实现的功能和应用领域。利用GPS技术精密定位,可以建立各种精密的城市控制网和工程控制网。GPS动态定位技术,特别是实时差分技RTK发展很快,它在水利、电力、林业、公路、铁路和勘界测量等领域已经得到了很好的应用。由于RTK技术其有实时厘米级的定位精度,特别是定线测量工作的效率大大提高,它在电力线路测量中正在发挥愈来愈重要的作用。
  
  1GPS RTK基本原理
  RTK(Real Time Kinematic)测量技术即实时动态测量技术,是以载波相位测量与数据传输技术相结合的以载波相位测量为依据的实时差分GPS测量技术,是GPS测量技术发展里程中的一个标志,它由3部分组成:(1)基准站接收机;(2)数据链;(3)流动站接收机。RTK工作原理是:在已知高等级点上(基准站)安置1台GPS接收机,对所有可见卫星进行连续的观测,并将其观测数据和测站信息,通过无线电传输设备,实时地发送给流动站,流动站GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线接收设备,接收基准站传输的数据,然后根据相对定位的原理,实时解算出流动站的三维坐标及其精度。
  2 测量设备的要求
  在RTK测量中,对相关测量设备有以下要求:
  1)能接收5个以上的GPS卫星;
  2)迁站过程中不能关机,不能失锁;
  3)必须能同时接收到GPS卫星的信号和基准站播发的差分信号;
  4)播发差分信号采用的电台频率和电台功率都必须经国家批准。
  
  3 RTK测量的特点
  3.1 相对于传统测量学及GPS常规测量,RTK 测量主要有以下优点:
   1)定位精度高。RTK测量标称精度可达到:lcm + 1ppm(平面),2cm + lppm(高程)。
   2)快速提供三维坐标。RTK通过实时处理2s内即可测得三维坐标。
   3)作业距离远、操作简便、效率高。作业半径能达到7KM。RTK技术的自动化程度高,观测人员主要是摆好基准站,然后进行流动站工作,而其它观测工作如卫星的捕获、跟踪观测等均由仪器自动完成。如采用1+2配置,即1台基站,2台移动站,2个测量小组可以同时施测,可减轻现场测量人员的劳动强度,提高工作效率。
  4)测站之间无需通视,是相互独立的观测值,不存在误差积累传播。
  3.2 RTK 测量不足之处:
  测量结果会受到卫星可见发影响;
  外界干扰也可能对测量结果产生影响;
  需要有合适的电力供应(电源)等。
  
  4网络GPS RTK与普通GPS RTK技术特点
   网络GPS RTK技术继承普通GPS RTK技术的特点,也是采用载波相位动态实时差分(Real Time Kinematic)方法,能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在网络GPS RTK作业模式下,已设置的移动站通过数据链将其光测值与测站坐标信息一起传送给接收机。接收机不仅通过数据链接收自基站的数据,还采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级的结果,接收机可处于静止状态,也可运动状态,网络GPS RTK关键在于重新设置移动基准站后的数据处理技术和数据传输技术。
  
  5应用实例
  5.1 测区概况
  本工程为云南省富宁县那柳电站至百色市洞巴电站110KV线路测量,线路全长约20KM,总共布设了76根杆位,纬度在24°00′32″~24°05′47″,经度在105°31′54″~105°39′10″之间,海拔在450米~850米之间,沿线森林保护较好树木茂盛,地形复杂,测区通视困难,行走不便。
  
  5.2仪器选用和基站布置
  本工程采用华测X90GPS RTK和拓普康GTS-602全站仪,根据本测区的地理位置和发展状况,本基站架设在距那柳电站6KM的山顶上,该地方地势最高,地形开阔,采用GPS作业模式,使基站通过网络模式发送覆盖面积可以达到14KM,在采用网络GPS RTK 技术前的测量是根据待测点所处位置选择就近相应基准站IP地址后来进行的,但基准站对林木茂密地区信号覆盖不全,采用网络GPS RTK技术势在必行,本次测量分架设两次机站就可以覆盖完那柳电站至百色市洞巴电站110KV线路测量。
  
  5. 3测量方式的选择及传统方法比较
  因为该工程工期紧,在测量前考虑到人员配置及现有设备,计划投入三组测量,一组采用全站仪测量,另一组采用天线接收及发送信号方式的GPSRTK技术测量。在测量过程中发现,由于该线路树木特别茂密,全站仪组投入2 名技术人员、4 名工人、1名司机1台车、1台全站仪。由于地形复杂及通视条件太差, 4名工人砍伐通道,树木砍伐量大,用了3天仅测量线路长度2 km左右,测量进度慢。另两组采用天线接收及发送信号方式的GPSRTK技术测量,投入2 名技术人员、1 名司机1 台车、2名工人、2台GPS RTK仪器。采用GPS测量,因测站间无需通视,还有直线段可以通过线路定出前后两个点通过放样中间直线点的杆位,故砍伐通道相对全站仪少了很多。但由于该通道树木特别茂密,在这种情况下,靠天线发射和接收信号方式的GPS测量,接收不到良好的信号,接收机上不能获得固定解,无法测量,有时为了等信号, 1天仅测量几十米,虽然设备先进,但没有足够精度的接收信号,还是没有办法加快测量进度,最后将要测量的地方砍出很大一片空间,才得以测量。经统计, 1天可以测量约1~2km左右,虽然比采用全站仪测量进度快些,但人员劳动强度大,GPS有效测量距离只有4~5km左右,且深沟、峡谷内测量断面时, GPS有效测量距离更短,这种情况下就要移动GPS基站,才能得以测量,但频繁地移动GPS基站对工程进度有很大的影响。基于这种情况,在本工程中,决定采用目前较先进的GPS测量通信方式,也就是本文要介绍的采用网络通信的GPS RTK技术测量的测量方法。通过采用手机卡通信的GPS RTK技术测量,投入2名技术人员、1名司机1台车、2名工人、2台流动GPS仪器。明显降低了劳动强度,在复杂的山区,一天可以测量达3 ~4km,由于通信信号稳定,基本上不需要砍伐树木,不仅加快了测量进度、降低了成本,而且也更方便在现场优化线路设计。
  
  5. 4在山区工程测量中的特点及优势
  一般使用天线接收及发送信号方式的GPSRTK技术测量主要有以下特点: (1)仪器操作简便;(2)测站间无需通视; (3)全天候作业; (4)测量精度高; (5)观测时间短; (6)提供三维坐标。而采用手机卡通信的GPS RTK技术测量除了具有上述特点外,最大的优点: ①是信号传递快且稳定,只要手机有信号的地方,GPS基站就能连续不断地接收和发送差分信号, ②是在树木较多的地方信号传递也比较稳定,基本上不用砍伐树木,节约了时间,提高了劳动效率; ③建立基站和流动站的设备减少了,建立基站更加灵活方便快捷,流动站也更方便,优化线路更容易;④测量半径更大,在山区有效测量半径可以达到6~7 km,在平坦的地形区可达近10 km左右,大大提高了工作效率。
  
  5. 5在山区工程测量应用中的具体步骤
  5. 5. 1基站点的选择及设置
  总结几个工程的应用经验,利用GPS测量首先是选择基站点,选择得不好,信号很不稳定,就会浪费很多时间等信号,或者信号太差,还要更换基站,对测量进度有很大的影响。设置基站点应该考虑如下几个因素:(1)最好选择在地势较高、地形比较开阔的地方,因为这样的地方有利于接收卫星且差分信号能够稳定的发送和接收,特别是在地形复杂的山区,不要怕耽误时间,一定要下功夫选择最佳基站点;(2)基站点要选择远离有电磁场干扰的地方,如高压线下、变电站附近、大功率无线电发射源等,以免产生对信号的干扰;(3)基站点要选择在手机卡有稳定信号且信号较强的地方,通过工程测量实践证明,若手机卡信号不稳定或时强时弱甚至时有时无,可能会造成基站差分信号发射中断,这种情况就要对基站重新设置。(4)基站点的选择要顾及便于后续测量,因为1条线路大多不能1天或只设置1处基站就能完成,故当天测量工作结束前,一定要选择好第二天测量所需要设置基站的位置,这一点是非常必要的;(5)基站点的选择要考虑安全因素,在山区若不需要专人看守基站时,仍要考虑动物对仪器设备的损害,故要在基站附近采取相应的安全措施,以防设备的损坏。
  
  5. 5. 2山区线路的勘测
  基站设置好以后,下一步要进行流动站的设置,设置流动站时,要远离基站至少10 m以上,以免流动站的测量手薄与基站的GPS连接,从而导致基站的设置模式变为流动站模式。调整使流动站与基站频率一致并得到固定解,再通过已知坐标求解七参数,使整个工程所测坐标都在一个系统内,最好是通过两个已知坐标现场校验坐标系统的正确性之后,就可以进行测量工作了。由于山区地形复杂,为了优化路径,往往对线路路径走向要做局部调整,特别是不通视的地区利用GPS测量是非常方便的。首先按照规划部门所划定的红线将线路转角坐标输入测量手薄作为线路控制点坐标,或者在现场实测坐标作为线路控制点坐标,利用两点坐标定出线路走向,重复上述步骤即可完成线路的测量。虽然GPS设备先进,但对交叉跨越物的测量仍需要全站仪等辅助测量仪器共同完成。线路设计一般都采用软件来完成绝大部分计算及绘图工作,为了配合計算机软件对GPS测量数据的数据处理和识别,现场测量过程中,一定要按所使用的计算机软件约定的代码进行原始数据的填写及输入,例如测量人员代码、交叉跨越物代码、边坡代码等。
  
  5. 5. 3数据的处理
  线路测量完成后,对GPS测量数据的处理是非常重要的一环。每天将测量数据进行分析整理,最后汇总后,将测量的数据导入CAD软件中,检查当天所测的坐标点是否正确,然后再将CAD中生成的点坐标上到地形图上进行比较。通过上述分析整理后,将有用的测量坐标点保留下来,并通过转换软件将测量数据导入线路设计软件中,通过软件将本工程相关导、地线及气象条件组合等线路计算参数选择后,通过计算,最后生成工程平、断面图,在图形中更加直观地分析当天所测量的结果是否满足要求,如不满足要求,则考虑第二天的复测方案,如此反复完善原始数据的输入。
  6结论
  1)选用网络GPS RTK及采用天线接收及发送信号方式的GPS RTK技术进行测量,与常规仪器相比,通视要求低,作业距离长,误差积累小,独立性好,受光线影响小,不受气候的影响,相比传统的测量提高很多 。
   2)选择网络有信号且信号较强、地势较高、地形比较开阔的地方设置基站,在山区如测量在网络无信号区时,则采用天线接收及发送信号方式的GPS RTK技术进行测量。交叉跨越需采用全站仪辅助测量。通过GPS利用网络通信和天线接收信号配合使用,在山区工程测量中,不仅能提高工作效率缩短建设周期,而且也能降低劳动强度、节约成本。
  3)利用GPS—RTK技术在输电线路的测量中有着诸多优点,它有着广阔的应用前景。特别是RTK技术,作为一种全新的测量方式,它必将在电力线路建设中发挥巨大的作用。
  
  
  
  
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