PPP技術在油氣田控制測量中的應用

萬仕平 張建國 賀 偉 楊汝芬

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

二十一世紀以來，基于國際導航衛星系統服務（International GNSSService，簡稱 IGS）的精密單點定位技術（PPP技術），在各行業中得到了長足的發展和應用。隨著國際IGS參考站的增多，以及Gamit、Bernese等軟件解算能力的提高，PPP技術的精度從過去的分米級，提高到目前的厘米級甚至毫米級。PPP技術觀測簡單便利，無需考慮接收機數量、網形、邊長和同步時間。因此，可考慮在油氣田及管道控制測量中通過PPP技術，快速解算各控制點的坐標和高程，在精度滿足要求的條件下降低成本、提高效率。

1 PPP技術概念

IGS服務包括衛星跟蹤站、數據中心、分析中心和數據產品發布等。PPP技術利用IGS發布的精密星歷和衛星鐘差，通過單臺雙頻衛星接收機偽距觀測和載波相位觀測，在專業計算軟件中，對天線相位中心、地球潮汐、相對論及多路徑效應等誤差進行改正，采用最小二乘或Kalman濾波估算對流層、接收機位置和鐘差，進行高精度定位［1］。

其中，GPS偽距與載波相位的觀測方程式為［2］：

式中：Pi為偽距觀測值；Φi為載波相位觀測值；ρ為衛星與接收機的幾何距離；c為真空中的光速；dt為接收機鐘差；dT為GPS衛星鐘差；dorb為GPS衛星軌道誤差；dtrop為對流層延遲； dion/i為 Li頻率（i=1，2）上電離層延遲；λi為 Li載波波長；Ni為整周模糊度；ε（Pi）為偽距觀測噪聲與多路徑誤差；ε（Φi）為載波相位觀測噪聲和多路徑誤差。

2 PPP技術的應用

2.1 控制網布設

在某氣田的控制測量中，收集了C級GPS點2個（ZT、ZJ），檢查點 1 個（氣田原有首級控制點 DP3），新埋設了首級控制點 4 個（DP5、DP6、DP7、DP8）。 其中，ZT與ZJ相距約80 km，網內相鄰點平均距離約20 km。采用6臺Trimble R8雙頻GNSS接收機，分2 d（2011年12月6、7日）按照C級網的技術要求同步觀測［3-5］，完成了網內共 7個點的外業觀測，其中 DP3、DP5、DP6、DP7、DP8有重復觀測值。 GPS控制網示意圖見圖1。

圖1 某氣田GPS控制網示意圖

2.2 精密單點定位

2.2.1 Bernese解算

外業觀測結束后，選取時間2011年12月6日的6個觀測數據和12月7日ZJ的觀測數據。將T01格式的數據轉換成Rinex格式，導入Bernese。以就近的BJFS、COAL、DSMG、KUNM、LHAZ、SHAO、TCMS、TWTF、ULAB、URUM共10個IGS跟蹤站的位置，精密星歷和鐘差等數據作為起算依據。計算得ITRF2008框架下大地坐標、大地高及基于EGM2008重力場模型擬合的正常高，結果見表1。

表1 ITRF2008坐標及高程

2.2.2 坐標轉換

計算表1中各點在UTM投影下的平面直角坐標，結果見表2。

表2 UTM平面直角坐標及高程

收集ZT、ZJ、DP3的高斯平面直角坐標及高程見表3。

表3 ZT、ZJ、DP3高斯平面直角坐標及高程

因基于不同橢球、不同投影方式計算所得，表2～3為兩個不同的平面直角坐標系下的坐標值。故可通過公共點ZT、ZJ、DP3建立兩個不同的二維平面直角坐標系間的轉換關系，計算得4參數為：dx=12.527547m，dy=-312.291461m，t=0.000 000 741 3°，k=1.000394205478。

利用上述4參數及PPP技術計算各點的高斯平面直角坐標及高程，結果見表4。

表4 PPP技術計算得各點高斯平面直角坐標及高程

2.3 TBC解算

為驗證PPP技術解算結果的可靠性，采用Trimble隨機軟件TBC計算網內各控制點成果。經各項觀測數據質量檢核，不合格數據剔除，無約束平差，約束ZT、ZJ、DP3這3點平差，待各項限差滿足要求后，計算得網內其余4點的坐標值，并采用EMG2008重力場模型進行高程擬合，獲得網內其余4點的高程，見表5。

表5 TBC計算得各點高斯平面直角坐標及高程

2.4 分析

2.4.1 精度

PPP技術計算得各點高斯平面直角坐標及高程（見表4），與TBC計算得各點高斯平面直角坐標及高程（見表5）進行比較，計算得坐標和高程較差，見表6。

表6 PPP技術計算結果與TBC計算結果較差

其中，公共點ZT、ZJ、DP3的坐標較差為坐標轉換誤差，其高程較差應視為因選取不同的擬合點引起的計算誤差。由表6可見，設TBC計算結果為真值，PPP技術解算的坐標精度優于0.02m，高程中誤差小于0.05m；坐標達到D級首級控制網精度，高程滿足四等電磁波測距三角高程精度要求［6］。

2.4.2 成本

從儀器設備和人力資源的投入情況來看，利用PPP技術需要少量的儀器（或1套GPS-RTK（1+2）的雙頻機）、車輛和人員，即可完成觀測。為了在短時間內完成外業聯測工作，較PPP技術而言，傳統的聯測方法需要多出1倍以上的儀器、車輛和人員。

在觀測時間方面，理論上PPP技術單點觀測2 h以上，即可獲得高精度的位置信息，而傳統C級網的觀測要求每個觀測時段不應低于4 h。在上述驗算案例中，PPP技術僅采用了7個觀測數據 （時間為12月6日的6個和12月7日的1個）進行計算，TBC采用了2d所有的共12個觀測數據（含重復觀測），解算結果均能滿足要求。

3 結論

在目前的油氣田控制測量工作中，找點困難、聯測不便是較常見的問題，長基線PPP技術是解決這類問題的關鍵。PPP技術受限條件少、精度高，理論上采用1臺雙頻衛星接收機，即能完成相關的控制測量工作。通過本文的應用實踐不難發現，在特定的地區，PPP技術解算的坐標和高程符合情況較好。因此，可將這一技術逐步應用到油氣田及線路控制測量中來，并采取一定的檢核措施，不僅能在精度上滿足要求，還能縮短工期、節約成本。

［1］Ebner R，FeatherstoneW E.How W ell can Online GPSPPP Post-Processing Servicesbe Used to Establish Geodetic Survey Control Networks［J］.Journal of Applied Geodesy，2008（2）：149-157.

［2］杜玉祥.精密單點定位精度分析 ［J］.礦山測量，2010，（1）：27-29.Du Yuxiang.Analysisof Accuracy of Precise Point Positioning［J］.M ine Surveying，2010，（1）：27-29.

［3］GB/T 18314-2009，全球定位系統（GPS）測量規范［S］.GB/T 18314-2009，Specification forGlobalPositioning System（GPS） Surveys［S］.

［4］李 瑋，萬仕平.淺析GPS在龍崗凈化廠控制測量中的應用［J］.天然氣與石油，2010，28（1）：41-43.LiWei，Wan Shiping.Application ofGPS to Control Survey in Longgang Purification Plant［J］.NaturalGasand Oil，2010，28（1）：41-43.

［5］萬仕平，肖德仁，張 勇.GPS在油氣田及管道工程測量中的應用現狀及需求［J］.天然氣與石油，2012，30（4）：84-86.Wan Shiping，Xiao Deren，Zhang Yong.Application of GPS to Engineering Survey in Oil and Gas Field Development and Pipeline Projects［J］.NaturalGasand Oil，2012，30（4）：84-86.

［6］GB/T 50539-2009，油氣輸送管道工程測量規范［S］.GB/T 50539-2009，Specifications of Survey for Oil and Gas Transportation Pipeline Engineering［S］.