長距離GPS RTK測量的精度檢核方法與實例

胡濤

(中國石化西北油田分公司油田特種工程管理中心,新疆 輪臺 841600)

0 引 言

位于中國新疆塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠,是中國最大的沙漠,也是世界第二大沙漠。整個沙漠東西長約1000 km,南北寬約400 km,面積達33萬km2,沙漠里人煙極其稀少,被稱為“死亡之海”[1]。中國石化、中國石油在這樣廣袤的地區(qū)進行的石油勘探開發(fā)工作,已有40年的歷史了,先后發(fā)現(xiàn)了塔河油田、塔里木油田、順北油田等一些大油田,為中國石油石化事業(yè)做出了重要貢獻。在石油勘探開發(fā)工作中,測量確定井口的位置,是整個石油勘探開發(fā)工作的基礎(chǔ)和前提,由于這里地處沙漠,測量控制點極其稀少,且大多分布在道路兩側(cè),而勘探區(qū)域多位于沙漠腹地的無人區(qū),如果用常規(guī)的工程測量方法測定井位,其施工難度、施工成本都將非常巨大。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展,尤其是GPS及GPS RTK技術(shù)的發(fā)展成熟,極大地降低了測繪工作的施工成本,提高了工作效率,這也為井位勘定工作的高效率開展奠定了基礎(chǔ)。

GPS RTK技術(shù)具有使用靈活性好、定位精準度高、施工成本低、作業(yè)效率高等優(yōu)點。在人煙稀少、地勢平坦、遮擋物少、電磁干擾小的沙漠區(qū)域,GPS RTK測量的這一優(yōu)點更加明顯。然而根據(jù)GBT 50537-2009 油氣田工程測量規(guī)范[2]和實際作業(yè)要求,GPS RTK技術(shù)定位的距離是有嚴格的限制的,一般情況下,不超過10 km,特殊情況下可延長至15 km.那么,對于15 km以上的距離,GPS RTK技術(shù)定位的精度到底如何,是一個值得研究探討的問題。

中石化西北油田分公司在塔克拉瑪干沙漠的多個區(qū)域均部署有勘探開發(fā)井位,這些井位的測定全部采用的是GPS RTK技術(shù),本文在該地區(qū)采用實際驗證的辦法,測試驗證了在沙漠地區(qū)長距離GPS RTK作業(yè)的精度。

1 GPS RTK技術(shù)的測量原理

GPS RTK技術(shù)即實時動態(tài)測量技術(shù),是全球衛(wèi)星導航定位技術(shù)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的載波相位實時動態(tài)差分定位技術(shù)[3],它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果。該技術(shù)采用實時處理兩個測量站載波相位差分觀測量的方法,通過將基準站采集的載波相位及基準站坐標等信息,利用數(shù)據(jù)鏈發(fā)給流動站接收機,實時進行求差解算坐標,能夠在施工現(xiàn)場快速得到厘米級的定位精度。該技術(shù)的出現(xiàn)為工程測量、地形測圖及各種控制測量帶來了變革,極大地提高了外業(yè)測量的作業(yè)效率。

GPS RTK作業(yè)的流動站既可處于靜止狀態(tài),也可處于運動狀態(tài)。在整周未知數(shù)解固定后,只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形,即可進行每個歷元的實時處理,從而可隨時給出厘米級的定位結(jié)果[4]。GPS RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于利用了基準站和流動站之間觀測誤差的空間相關(guān)性,通過對GPS載波相位觀測量求差,消除了流動站觀測數(shù)據(jù)中的絕大部分誤差,從而實現(xiàn)分米級甚至厘米級精度的定位。

GPS RTK技術(shù)在應(yīng)用中遇到的最大問題,就是基準站校正數(shù)據(jù)的有效改正距離問題。GPS誤差的空間相關(guān)性隨著基準站和流動站距離的增加而逐漸失去線性,經(jīng)過差分處理后的流動站數(shù)據(jù)仍然含有較大的誤差,從而導致定位精度的降低和載波相位整周未知數(shù)[5]的無法固定或解算。可見長距離GPS RTK定位的精度和可靠性較短距離差。

2 長距離GPS RTK測量精度檢核方法

中國石化西北油田分公司曾經(jīng)在塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠中,部署了中良1井,該井位于沙漠腹地,東面距離輪臺至民豐沙漠公路約100 km2,井位測定采用了GPS RTK技術(shù)直接放樣井位,由于該井距離測量控制點約22 km,為保證信號接收,中間架設(shè)有一個中繼站。作業(yè)距離大于GPS RTK一般15 km的作業(yè)半徑,屬于長距離GPS RTK施工,但滿足井位勘定規(guī)程里在一個中繼站的情況下不超過25 km作業(yè)半徑的規(guī)定。

盡管井口放樣精度嚴格控制在井位勘定規(guī)程規(guī)定的水平精度0.015 m,高程精度0.020 m的范圍內(nèi),但針對大于15 km小于25 km的長距離GPS RTK施工,仍缺少有效的外部檢核。為驗證長距離GPS RTK施工作業(yè)的精度和可靠性,我們采用同等作業(yè)條件下引入外部控制點檢核的方式,進行了檢核驗證。

檢核采用Trimble R7、Trimble R8型衛(wèi)星定位儀各1臺,并配有全套GPS RTK作業(yè)所需的數(shù)據(jù)傳輸電臺、腳架、線纜、電瓶等附件,準備車輛兩輛,參與測繪技術(shù)人員3人。為保證檢核條件與施工條件盡可能相同,檢核使用的儀器均為測定井位使用的儀器。

檢核方法與步驟如下:

1) 選取了塔河油田測量控制點成果中的“TP7”和“S86”兩個測量控制點作為外部檢核依據(jù),坐標成果為同一GPS控制網(wǎng)觀測平差后的成果,控制網(wǎng)等級為C級網(wǎng),兩點距離為23.768 km,與中良1井GPS RTK施工距離相當,且周圍環(huán)境也以沙漠戈壁地形為主,具有可參照性。

2) 首先在“TP7”測量控制點上架設(shè)GPS RTK測量基準站,啟動基準站后,先用流動站在控制點“TP7”上進行RTK檢查,檢查數(shù)據(jù)合格后,再進行放樣檢核。

3) 在距離“TP7”測量控制點約15 km處,“S86”測量控制點約9 km處,架設(shè)中繼站電臺,中繼站電臺信號傳輸正常。

4) 在“S86”測量控制點上對中整平流動站GPS接收機,啟動流動站,接收基準站電臺信號,待初始化完成、整周未知數(shù)固定后,開始測量采集數(shù)據(jù),嚴格控制采集坐標數(shù)據(jù)的精度,在水平精度小于0.015 m,高程精度小于0.020 m的范圍內(nèi),采集有效數(shù)據(jù)10組。

5) 最后將GPS RTK采集的坐標與“S86”測量控制點已知坐標進行比對,計算坐標較差,分析測量的精度,形成結(jié)論和技術(shù)報告。

3 長距離GPS RTK測量精度分析

首先將檢核采集的數(shù)據(jù),導入到TGO軟件中,正確設(shè)置工程項目參數(shù),檢查外業(yè)觀測記錄和儀器的各項設(shè)置是否正確,準確無誤后,進行數(shù)據(jù)處理,計算GPS RTK測量定位實際偏差、相對誤差,形成相關(guān)技術(shù)報告。GPS RTK測量定位實際偏差、相對誤差如表1所示。

可見,隨著GPS RTK流動站與基準站距離的增加,GPS誤差的空間相關(guān)性逐漸失去線性,經(jīng)過差分處理后的流動站數(shù)據(jù)仍含有較大的誤差,即使在載波相位整周未知數(shù)已經(jīng)固定的情況下,定位誤差仍然達到了分米級。與短距離GPS RTK厘米級的定位精度相比,存在較大差距。

表1 GPS RTK系統(tǒng)S86測量控制點檢核計算表

4 結(jié)束語

通過檢核可知,在沙漠戈壁地形中,進行大于15 km小于25 km的長距離GPS RTK施工中,在水平精度嚴格控制在0.015 m內(nèi)、高程精度嚴格控制在0.020 m內(nèi)的情況下,GPS RTK定位實際偏差在0.15 m左右,相對定位精度達1/162794,能滿足精度要求不高的一般作業(yè),例如油田井位勘測、道路路線測繪、井位導航、距離量算等。