PPP技术在油气田控制测量中的应用

万仕平 张建国 贺 伟 杨汝芬

中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

二十一世纪以来，基于国际导航卫星系统服务（International GNSSService，简称 IGS）的精密单点定位技术（PPP技术），在各行业中得到了长足的发展和应用。随着国际IGS参考站的增多，以及Gamit、Bernese等软件解算能力的提高，PPP技术的精度从过去的分米级，提高到目前的厘米级甚至毫米级。PPP技术观测简单便利，无需考虑接收机数量、网形、边长和同步时间。因此，可考虑在油气田及管道控制测量中通过PPP技术，快速解算各控制点的坐标和高程，在精度满足要求的条件下降低成本、提高效率。

1 PPP技术概念

IGS服务包括卫星跟踪站、数据中心、分析中心和数据产品发布等。PPP技术利用IGS发布的精密星历和卫星钟差，通过单台双频卫星接收机伪距观测和载波相位观测，在专业计算软件中，对天线相位中心、地球潮汐、相对论及多路径效应等误差进行改正，采用最小二乘或Kalman滤波估算对流层、接收机位置和钟差，进行高精度定位［1］。

其中，GPS伪距与载波相位的观测方程式为［2］：

式中：Pi为伪距观测值；Φi为载波相位观测值；ρ为卫星与接收机的几何距离；c为真空中的光速；dt为接收机钟差；dT为GPS卫星钟差；dorb为GPS卫星轨道误差；dtrop为对流层延迟； dion/i为 Li频率（i=1，2）上电离层延迟；λi为 Li载波波长；Ni为整周模糊度；ε（Pi）为伪距观测噪声与多路径误差；ε（Φi）为载波相位观测噪声和多路径误差。

2 PPP技术的应用

2.1 控制网布设

在某气田的控制测量中，收集了C级GPS点2个（ZT、ZJ），检查点 1 个（气田原有首级控制点 DP3），新埋设了首级控制点 4 个（DP5、DP6、DP7、DP8）。 其中，ZT与ZJ相距约80 km，网内相邻点平均距离约20 km。采用6台Trimble R8双频GNSS接收机，分2 d（2011年12月6、7日）按照C级网的技术要求同步观测［3-5］，完成了网内共 7个点的外业观测，其中 DP3、DP5、DP6、DP7、DP8有重复观测值。 GPS控制网示意图见图1。

图1 某气田GPS控制网示意图

2.2 精密单点定位

2.2.1 Bernese解算

外业观测结束后，选取时间2011年12月6日的6个观测数据和12月7日ZJ的观测数据。将T01格式的数据转换成Rinex格式，导入Bernese。以就近的BJFS、COAL、DSMG、KUNM、LHAZ、SHAO、TCMS、TWTF、ULAB、URUM共10个IGS跟踪站的位置，精密星历和钟差等数据作为起算依据。计算得ITRF2008框架下大地坐标、大地高及基于EGM2008重力场模型拟合的正常高，结果见表1。

表1 ITRF2008坐标及高程

2.2.2 坐标转换

计算表1中各点在UTM投影下的平面直角坐标，结果见表2。

表2 UTM平面直角坐标及高程

收集ZT、ZJ、DP3的高斯平面直角坐标及高程见表3。

表3 ZT、ZJ、DP3高斯平面直角坐标及高程

因基于不同椭球、不同投影方式计算所得，表2～3为两个不同的平面直角坐标系下的坐标值。故可通过公共点ZT、ZJ、DP3建立两个不同的二维平面直角坐标系间的转换关系，计算得4参数为：dx=12.527547m，dy=-312.291461m，t=0.000 000 741 3°，k=1.000394205478。

利用上述4参数及PPP技术计算各点的高斯平面直角坐标及高程，结果见表4。

表4 PPP技术计算得各点高斯平面直角坐标及高程

2.3 TBC解算

为验证PPP技术解算结果的可靠性，采用Trimble随机软件TBC计算网内各控制点成果。经各项观测数据质量检核，不合格数据剔除，无约束平差，约束ZT、ZJ、DP3这3点平差，待各项限差满足要求后，计算得网内其余4点的坐标值，并采用EMG2008重力场模型进行高程拟合，获得网内其余4点的高程，见表5。

表5 TBC计算得各点高斯平面直角坐标及高程

2.4 分析

2.4.1 精度

PPP技术计算得各点高斯平面直角坐标及高程（见表4），与TBC计算得各点高斯平面直角坐标及高程（见表5）进行比较，计算得坐标和高程较差，见表6。

表6 PPP技术计算结果与TBC计算结果较差

其中，公共点ZT、ZJ、DP3的坐标较差为坐标转换误差，其高程较差应视为因选取不同的拟合点引起的计算误差。由表6可见，设TBC计算结果为真值，PPP技术解算的坐标精度优于0.02m，高程中误差小于0.05m；坐标达到D级首级控制网精度，高程满足四等电磁波测距三角高程精度要求［6］。

2.4.2 成本

从仪器设备和人力资源的投入情况来看，利用PPP技术需要少量的仪器（或1套GPS-RTK（1+2）的双频机）、车辆和人员，即可完成观测。为了在短时间内完成外业联测工作，较PPP技术而言，传统的联测方法需要多出1倍以上的仪器、车辆和人员。

在观测时间方面，理论上PPP技术单点观测2 h以上，即可获得高精度的位置信息，而传统C级网的观测要求每个观测时段不应低于4 h。在上述验算案例中，PPP技术仅采用了7个观测数据 （时间为12月6日的6个和12月7日的1个）进行计算，TBC采用了2d所有的共12个观测数据（含重复观测），解算结果均能满足要求。

3 结论

在目前的油气田控制测量工作中，找点困难、联测不便是较常见的问题，长基线PPP技术是解决这类问题的关键。PPP技术受限条件少、精度高，理论上采用1台双频卫星接收机，即能完成相关的控制测量工作。通过本文的应用实践不难发现，在特定的地区，PPP技术解算的坐标和高程符合情况较好。因此，可将这一技术逐步应用到油气田及线路控制测量中来，并采取一定的检核措施，不仅能在精度上满足要求，还能缩短工期、节约成本。

［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.精密单点定位精度分析 ［J］.矿山测量，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，全球定位系统（GPS）测量规范［S］.GB/T 18314-2009，Specification forGlobalPositioning System（GPS） Surveys［S］.

［4］李 玮，万仕平.浅析GPS在龙岗净化厂控制测量中的应用［J］.天然气与石油，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］万仕平，肖德仁，张 勇.GPS在油气田及管道工程测量中的应用现状及需求［J］.天然气与石油，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，油气输送管道工程测量规范［S］.GB/T 50539-2009，Specifications of Survey for Oil and Gas Transportation Pipeline Engineering［S］.