GNSS 验潮在海上石油物探测量中的应用探讨

张延同，王洪强

（中国石油化工集团胜利石油管理局地球物理勘探开发公司，山东东营257086）

一、引 言

在目前的海上石油物探测量施工中，物理点的高程测量一般采用对水深测量数据进行潮汐改正的方法实现。由于缺乏必要的验潮手段，往往从附近的验潮站搜集精度较低的潮汐表数据进行插值计算，由此获得的高程精度比较低，而且有时验潮站距离施工区域较远，潮时差过大，精确校正又比较困难，导致数据不准确，精度无法保证。

随着GNSS定位技术的不断发展，星站差分不断得到应用，使用GNSS设备结合水深测量直接测定物理点高程的办法将比以往方法更加准确。但星站差分仪器使用费用极其昂贵，极大地制约了该种方法的普及应用。

GNSS验潮技术在近年来的海洋测绘中取得了惊人的成就，并以其独特的优势在众多领域中获得了成功应用。它不仅可以提供高精度的潮汐数据，而且能够与测船走航同时进行，大大简化了验潮程序，节省了人力。本文试图从海上石油物探测量生产的角度，探讨GNSS验潮应用于物探物理点高程测量的方法。

二、GNSS验潮的原理

GNSS验潮是使用GNSS设备实时测量GNSS设备所在点的GNSS设备天线的大地高，可进一步改换为该点实时的水面潮高。通过高程异常计算和水深测量的方法，最终获得海底的海拔高。

如图1所示，架设在船上的GNSS定位仪可以直接测得GNSS天线位置的大地高H;天线位置至水面的高度h1可以使用测高尺量取;椭球面至大地水准面的差距ξ(即高程异常值)可以使用大地水准面模型获取，目前有国家测绘局发布的CQG2000以及美国的EGM2008，这些模型在我国测绘领域都获得了很好的应用。

则根据式(1)可以计算出水面的海拔高程h水面

图1 GNSS验潮原理示意图

水面的海拔高度值即该点以大地水准面为基准的潮汐测量值。

随着时间的推移，由于受潮汐影响，水面的高度也随着改变，测量船也会随着水面的起伏一起浮动。如果使用GNSS定位仪进行连续测量，即可获得一组随时间变化的水面高程值，将这些高程值按时间顺序连接成线，就形成潮时图。

三、海上石油物探中GNSS验潮的应用方法

由于海上物探测量中采用潮汐改正方法测量物理点高程，因此需要知道水深测量时刻对应的水面高程。可以采用上述验潮原理连续测定水面高程，然后根据时间匹配确定水深测量或气枪激发时刻的水面高程，即可推算水深测量处的海底高程或气枪激发点的高程。

在海上物探施工中，同时有多艘测量船展开作业，每艘测量船都进行验潮需要的设备较多，费用较大，由于一般物探施工中，施工面积较小，因此可选定在一艘船上验潮，全部测量船共享验潮数据的模式，也就是将整个施工过程分为验潮与测量两部分。

1.验 潮

在物探施工使用的所有船只中，选择一艘船体较重，尽可能处于抛锚状态，所处位置在其他作业船中央，这样船体平衡及吃水比较稳定的船作为验潮船，可考虑生活母船或者仪器船。在验潮船上使用GNSS设备实施验潮，可以很好地获取整个施工区域的实时验潮数据。

验潮船在整个测量过程中一般处于抛锚状态，属于静态吃水，吃水深度变化很小，可通过测量天线高度予以抵消，此时只受浪涌及姿态变化的影响，连续测得的水面高程值连线呈锯齿状［1］，可通过滤波方法加以平滑过滤，常用的滤波方法有门限滤波法、低通滤波发及小波滤波法等［1-2］。

图2为某地区根据使用星站差分设备测得的瞬时海面高程与搜集获得的潮汐表数据情况绘制的潮时图，图中的光滑曲线为潮汐表数据。不难看出，GNSS验潮数据与潮汐表数据在波动趋势与周期是一致的，这其中显然存在着时差与深度基准不一致的影响。因物探物理点测量需要的是海拔高程，可不考虑深度基准造成的影响，潮时差的影响可通过时差校正部分消除，如果没有实时验潮，要完全消除非常困难。另外，从图中还可看出，在高潮与低潮阶段，两类数据存在一定的差异，这一差异便是潮汐表数据无法克服的误差，通过GNSS实时验潮，便可达到消除误差的目的。

图2 GNSS实时测高与潮汐表数据比较

2.测量施工

测量施工可以使用一般的信标差分或SBAS差分卫星定位仪，目前我国沿海已经建立了数个信标差分站，覆盖沿海400 km左右的海域，日本的MASAS卫星也可覆盖我国大部分海域，而且这些信号可以完全免费使用，平面测量精度可以达到米级，可以满足海上石油物探施工要求，但高程精度较差，无法用于实际测量。

接收点的海拔高程h海底求取过程一般是在船行驶到该点上方，同时测得该点的水面海拔高以及该点的水深，水面海拔高h水面的获取可通过式(1)求取，水深h水深可以通过测深仪直接获得该点海底到水面的高度值，该点的水面的海拔高减去实时该点的水深值即为该点的海底海拔高，见式(2)

激发点的测量与气枪激发是同步进行的，测量位置为气枪沉放的位置，如图3所示。A点为气枪沉放位置;h沉为气枪沉放深度;t时刻气枪船到达指定位置并激发，对应的水面高程为h水面;h气枪即为所测激发点高程;则

图3 激发点高程测量示意图

测量船是在行进中测量的，其动态吃水对测深数据的影响可利用GNSS测量方法测出。对于浪涌及姿态的影响，要想消除存在一定困难，但在风浪不大时这一影响较小，一般达到5 cm［2］，因为物探施工一般要求在风力较小时进行，测高精度达到米级即可，此时的浪涌及姿态对测量结果的影响在石油物探测量中基本可以忽略不计。

四、验潮误差及精度估算

GNSS验潮的精度取决于GNSS定位仪的精度、测深仪精度、高程异常值精度以及浪涌和测量船吃水的影响等。

如果是近海施工，距离海岸20 km以内，可以使用GNSS RTK测量，GNSS定位精度达到厘米级;远海施工可以使用GNSS事后相位差分(PPK)测量，在距离海岸80 km范围内可以获得5 cm平面精度和10 cm高程精度［2］;星站差分测量实现了全球覆盖范围的10 cm平面精度和20 cm高程精度，如果使用星站差分测量系统，无需考虑施工区域与海岸的远近。

CQG2000大地水准面模型可以获取分米级精度的高程异常值，EGM2008在我国应用也可以达到分米级甚至厘米级精度。

综上所述，并考虑到浪涌及测量船吃水等的影响误差也可达到分米级［3］，利用GNSS验潮可以获取亚米级的潮高精度，完全可以满足海上物探测量施工。

五、结束语

GNSS验潮简便易行，不受水深限制，在近海施工可以使用RTK或PPK测量技术，在远海施工无法实施RTK或PPK测量时，可以仅使用一至两台星站差分设备，避免或大大减少了因使用星站差分设备而付出的昂贵的信号费用。GNSS验潮占用仪器少，大大降低施工作业成本，是目前海上施工比较理想的方法。

［1］ 赵建虎.现代海洋测绘(上册)［M］.武汉:武汉大学出版社，2008:56-61.

［2］ 李杰.GPS潮汐测量及应用［D］.青岛:国家海洋局第一海洋研究所，2009.

［3］ 欧阳永忠，陆秀平，孙继章，等.GPS测高技术在无验潮水深测量中的应用［J］.海洋测绘，2005(1):6-9.

［4］ 冯义楷，李杰，杨龙，等.远程GPS验潮方法研究［J］.海洋测绘，2010(1):4-6.